UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
COMPORTAMIENTO DEL HIDRÓXIDO DE SODIO Y POTASIO EN FUNCIÓN DE LA HUMEDAD Y TEMPERATURA AMBIENTAL
TESIS DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO
AUTOR: FLOR MARÍA ENRÍQUEZ POZO
QUITO 2013
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
COMPORTAMIENTO DEL HIDRÓXIDO DE SODIO Y POTASIO EN FUNCIÓN DE LA HUMEDAD Y TEMPERATURA AMBIENTAL
TESIS DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO
AUTOR: FLOR MARÍA ENRÍQUEZ POZO
TUTOR: ING. LUIS AGUIRRE
QUITO 2013
APROBACIÓN DEL TUTOR
En calidad de Tutor de la Tesis de Grado titulada Comportamiento del Hidróxido de Sodio y Potasio en función de la humedad y temperatura ambiental, me permito certificar que el mismo es original y ha sido desarrollado por la Señorita ENRÍQUEZ POZO FLOR MARÍA, bajo mi dirección y conforme a todas las observaciones realizadas considero que el trabajo reúne los requisitos necesarios.
En la Ciudad de Quito, a los 24 días del mes de Octubre de 2012.
iii
AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL
Yo, FLOR MARÍA ENRIQUEZ POZO en calidad de autor de la tesis de grado realizada sobre COMPORTAMIENTO DEL HIDRÓXIDO DE SODIO Y POTASIO EN FUNCIÓN DE LA HUMEDAD Y TEMPERATURA AMBIENTAL, por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de investigación.
Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento.
Quito, 24 de Octubre del 2012
Flor María Enríquez C.C. 040141599-7
[email protected]
iv
DEDICATORIA
Con mucho y especial cariño a mis queridos padres, Melvita y Clemente quienes a lo largo de mi vida han velado por mi bienestar y educación siendo mi apoyo en todo momento, por estar a mi lado y confiar en mí como siempre lo han hecho. A mis hermanos Edison, Amanda y Guadalupe y a toda mi familia por que siempre he contado con ellos, y aunque a pesar de la distancia he tenido y sentido su apoyo. A mis eternos amores, Willy por ser mi amigo incondicional y brindarme su amor, por su constante ayuda y apoyo en todo este tiempo y a mi hijo Jostin Alessander por ser una luz en mi vida. A todos los amo con mi vida.
Flor Ma. E.
v
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios, por permitirme llegar a este momento tan especial en mi vida. Por los triunfos y los momentos difíciles que me han enseñado a valorar cada día.
A la Universidad Central de Ecuador y en especial a la Facultad de Ingeniería Química, que me dieron la oportunidad de formar parte de ellas y formarme como profesional de éxito.
A mis padres, porque a pesar de todos los momentos difíciles han sabido ser un claro ejemplo de unión y apoyo, gracias por haberme educado y soportar mis errores. Gracias por sus consejos, por la comprensión, la paciencia y el apoyo que me brindaron para culminar mi carrera profesional. He cumplido su gran anhelo. ¡Gracias por darme la vida!
A mis hermanos, porque siempre he contado con ellos, gracias por la confianza y amistad. A todos mis familiares, aunque me resulta muy difícil poder nombrarlos en tan poco espacio, sin embargo gracias a todos ustedes, en especial a mis tías y mis queridos abuelitos. A mi hijo y a Willy por que le han dado sentido a mí existir.
A mis maestros, gracias por su tiempo, por su apoyo así como por la sabiduría que me transmitieron en el desarrollo de mi formación profesional, en especial: al Ing. Luis Aguirre por haber guiado el desarrollo de este trabajo y ayudarme a llegar a la culminación del mismo.
Al Consejo Nacional de Sustancias Psicotrópicas y Estupefacientes por permitir el desarrollo del presente trabajo.
A mis amigos(as), con quienes he vivido y compartido momentos maravillosos de mi vida. A todos gracias por la amistad brindada, logramos llegar hasta el final del camino y ahora podemos disfrutar de este logro que cuando nos conocimos se veía tan lejos. Éxitos para todos, los llevaré en mi mente.
vi
CONTENIDO
pág.
APROBACIÓN.....................................................................................................................
iii
AUTORIZACIÓN DE LA TUTORIA.................................................................................
iv
DEDICATORIA.................................................................................................................... v AGRADECIMIENTO...........................................................................................................
vi
CONTENIDO........................................................................................................................ vii LISTA DE TABLAS.............................................................................................................
xiv
LISTA DE FIGURAS...........................................................................................................
xvii
LISTA DE GRÁFICOS........................................................................................................
xviii
GLOSARIO...........................................................................................................................
xx
RESUMEN............................................................................................................................
xxiii
ABSTRACT..........................................................................................................................
xxiv
INTRODUCCIÓN...............................................................................................................
1
1. EL PROBLEMA.............................................................................................................
3
1.1 Planteamiento del problema............................................................................................
3
1.2 Formulación del problema..............................................................................................
3
1.3 Interrogantes de la investigación.....................................................................................
4
1.4 Objetivos de la investigación..........................................................................................
4
1.4.1 Objetivo General..........................................................................................................
4
1.4.2 Objetivos Específicos...................................................................................................
4
1.5 Justificación.....................................................................................................................
5
vii
2. MARCO TEÓRICO.......................................................................................................
6
2.1 Consejo Nacional de Control de Sustancias Estupefacientes y Psicotrópicas................
6
2.1.1 Sustancias químicas sujetas a fiscalización.................................................................
6
2.2 Álcalis, hidróxidos o bases...............................................................................................
7
2.2.1 Generalidades................................................................................................................
7
2.2.2 Propiedades generales..................................................................................................
7
2.2.3 Hidróxido de sodio sólido..............................................................................................
8
2.2.3.1 Descripción.................................................................................................................
8
2.2.3.2 Propiedades................................................................................................................
9
2.2.3.3 Especificaciones Técnicas..........................................................................................
10
2.2.3.4 Obtención Industrial...................................................................................................
10
2.2.3.4.1 Tratando carbonato de sodio con cal apagada.......................................................
10
2.2.3.4.2. Electrólisis Cloro-Álcali.........................................................................................
12
2.2.3.4.3 Concentraación de las soluciones diluidas de sosa cáustica..................................
17
2.2.3.5 Proceso de producción de sosa cáustica por electrólisis...........................................
18
2.2.3.6 Usos y aplicaciones....................................................................................................
21
2.2.3.6.1 Lícitos y principales aplicaciones...........................................................................
21
2.2.3.6.2 Ilícitos......................................................................................................................
22
2.2.3.7 Presentación comercial.............................................................................................
23
2.2.4 Hidróxido de potasio sólido..........................................................................................
25
2.2.4.1 Descripción.................................................................................................................
25
2.2.4.2 Propiedades................................................................................................................
26
2.2.4.3 Especificaciones Técnicas..........................................................................................
26
2.2.4.4 Obtención Industrial de Potasa cáustica por electrólisis..........................................
27
2.2.4.5 Usos y aplicaciones....................................................................................................
29
2.2.4.5.1 Lícitos y principales aplicaciones...........................................................................
29
2.2.4.5.2 Ilícitos......................................................................................................................
30
2.2.4.6 Presentación Comercial............................................................................................
30
viii
2.3 Humedad Relativa del Aire..............................................................................................
32
2.4 Sólidos Solubles...............................................................................................................
32
2.5 Sólidos Insolubles.............................................................................................................
32
2.5.1 Cuerpos Húmedos..........................................................................................................
32
2.5.2 Cuerpos Higroscópicos.................................................................................................
33
2.6 Humedad del Sólido.........................................................................................................
33
2.6.1 Contenido de humedad, en base húmeda. ....................................................................
33
2.6.2 Contenido de humedad, en base seca. ..........................................................................
33
2.6.3 Humedad de equilibrio X*.............................................................................................
34
2.6.4 Humedad Libre F...........................................................................................................
34
2.6.5 Humedad no ligada, desligada o agua desligada.........................................................
34
2.6.6 Humedad ligada o agua ligada.....................................................................................
34
2.7 Actividad de Agua............................................................................................................
35
2.7.1 Generalidades................................................................................................................
35
2.7.2 Definición de actividad de agua....................................................................................
35
2.7.3 Relación entre la Actividad de Agua y Humedad Relativa...........................................
36
2.7.4 Relación entre la Actividad de Agua y la Temperatura................................................
36
2.8 Determinación de la Humedad Relativa de Equilibrio.....................................................
36
2.8.1 Método Gravimétrico....................................................................................................
36
2.9 Isotermas De Sorción De Humedad.................................................................................
37
2.9.1 Generalidades................................................................................................................
37
2.9.2 Adsorción.......................................................................................................................
37
2.9.2.1 Adsorción física y química.........................................................................................
38
2.9.3 Absorción......................................................................................................................
39
2.9.4 Isotermas de sorción......................................................................................................
39
2.9.5 Tipos de isotermas de sorción de humedad...................................................................
40
2.9.5.1 Isoterma Tipo I o de Langmuir...................................................................................
41
2.9.5.2 Isoterma Tipo II..........................................................................................................
41
ix
2.9.5.3 Isoterma Tipo III o de Flory Huggins........................................................................
41
2.9.5.4 Isoterma Tipo IV.........................................................................................................
41
2.9.5.5 Isoterma Tipo V..........................................................................................................
41
2.9.5.6 Isoterma Tipo VI.........................................................................................................
42
2.10 Modelos Matemáticos para interpretar las Isotermas de Sorción de Humedad.............
42
2.10.1 Modelo de Brunauer-Emmett-Teller (BET)...........................................................
42
2.10.2 Modelo de Anderson, de Boer y Guggenheim (GAB) .................................................
43
2.10.3 Modelo de PELEG.......................................................................................................
44
2.10.4 Modelo Generalised de D´Arcy and Watt (GDW)..................................................
45
2.11 Regiones de la Isoterma de Sorción de Humedad..........................................................
45
2.11.1 Valor de estabilidad de la monocapa..........................................................................
46
2.12 Influencia del CO2 en la formación de Carbonatos........................................................
47
2.12.1 Ley de Henry................................................................................................................
47
2.12.2 Alcalinidad...................................................................................................................
47
2.12.3 Dióxido de carbono CO2.............................................................................................
49
3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.......................................................................
50
3.1 Proceso de Experimentación Seleccionado......................................................................
50
3.1.1 Descripción del proceso experimental..........................................................................
50
3.1.2 Diagrama de Flujo del Proceso Experimental..............................................................
51
3.2 Sustancias y Reactivos......................................................................................................
51
3.3 Materiales y Equipos........................................................................................................
52
3.4 Diseño Experimental........................................................................................................
52
3.5 Procedimiento..................................................................................................................
53
3.5.1 Determinación de las isotermas de sorción de humedad..............................................
53
3.5.1.1 Preparación inicial de las muestras...........................................................................
53
3.5.1.2 Instalación del Equipo................................................................................................
54
x
3.5.1.3 Tiempo de equilibrio...................................................................................................
57
3.5.1.4 Determinación de la humedad relativa de equilibrio.................................................
58
3.5.2 Obtención del modelo matemático para las Isotermas de Sorción de Humedad..........
59
3.5.2.1 Ajuste de datos experimentales con el modelo de BET Brunauer-Emmett-Teller.....
59
3.5.2.2 Ajuste de datos experimentales con el modelo GAB..................................................
60
3.5.2.3 Ajuste de datos experimentales con el modelo PELEG..............................................
60
3.5.2.4 Ajuste con datos experimentales con el modelo D´ARCY and WATT........................
60
3.5.2.5 Error Medio Relativo (%ERM)...........................................................................
61
3.5.3 Regiones de la Isoterma de Sorción de Humedad.........................................................
61
3.5.3.1 Cálculo de la monocapa.............................................................................................
61
3.5.4 Análisis de formación de Hidratos................................................................................
61
3.5.5 Análisis de la formación de Carbonatos por el efecto del Dióxido de Carbono del Aire.........................................................................................................................................
62
3.5.5.1 Determinación teórica de la composición en carbonatos generada en las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio.........................................................................
62
3.5.5.2 Determinación experimental de la composición en carbonatos generada en las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio.........................................................
63
3.6 Datos Experimentales.......................................................................................................
63
3.6.1 Datos de composición química de las muestras iniciales de hidróxido de sodio e 63 hidróxido de potasio............................................................................................................... 3.6.2 Datos de actividad de agua de las soluciones salinas preparadas...............................
63
3.6.3 Datos para la determinación de la humedad de equilibrio...........................................
64
3.6.4 Datos para analizar el efecto de CO2 en la formación de carbonatos en las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio.........................................................................
70
4. CÁLCULOS Y RESULTADOS......................................................................................
71
4.1 Cálculos............................................................................................................................
71
xi
4.1.1 Isotermas de Sorción de Humedad................................................................................
71
4.1.1.1 Cálculo de la humedad de equilibrio para las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio...............................................................................................................
71
4.1.1.2 Modelación matemática de las Isotermas de Sorción de Humedad...........................
74
4.1.1.3 Modelo de PELEG ajustado para la predicción de la humedad de equilibrio..........
81
4.1.2 Regiones de la Isoterma de Sorción de Humedad.........................................................
83
4.1.2.1 Resultados del cálculo de la monocapa.....................................................................
83
4.1.3 Análisis de formación de Hidratos................................................................................
86
4.1.4 Análisis de la formación de Carbonatos por efecto del Dióxido de Carbono del Aire.........................................................................................................................................
88
4.1.4.1 Solubilidad del CO2 en el agua sorbida por las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio...............................................................................................................
88
4.1.4.2 Determinación teórica de la composición en carbonatos generados en las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio.........................................................
91
4.1.4.3 Determinación teórica de la composición en hidróxidos de las muestras húmedas de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio.........................................................................
95
4.1.4.4 Determinación experimental de la composición en carbonatos e hidróxidos en las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio.........................................................
102
4.1.5 Aplicación de resultados...............................................................................................
103
4.1.5.1 Aplicación de la ecuación de PELEG ajustada.......................................................... 103 4.1.5.2 Aplicación de las ecuaciones de humedad de equilibrio............................................
106
4.1.6 Resumen de Resultados.................................................................................................
108
5. DISCUSIÓN DE DATOS Y RESULTADOS................................................................. 110
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.............................................................
112
6.1 Conclusiones Generales...................................................................................................
112112
6.2 Conclusiones Experimentales...........................................................................................
113
xii
6.3 Recomendaciones Generales............................................................................................
114
6.4 Recomendaciones al CONSEP y a la industria................................................................
114
CITAS BIBLIOGRÁFÍCAS................................................................................................
115
BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................................
119
ANEXOS................................................................................................................................ 120
xiii
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Productos químicos específicos……………………………………......................
6
Tabla 2. Propiedades físicas del hidróxido de sodio…………………………….................
9
Tabla 3. Datos de solubilidad del hidróxido de sodio en g NaOH / 100g H2O.....................
9
Tabla 4. Especificaciones técnicas del hidróxido de sodio al 99% (Escamas o perlas)........
10
Tabla 5. Propiedades físicas del hidróxido de potasio..........................................................
26
Tabla 6. Datos de solubilidad del hidróxido de potasio en g KOH / 100g H2O...................
26
Tabla 7. Especificaciones técnicas del hidróxido de potasio al 99% (Escamas o perlas).....
26
Tabla 8. Propiedades de la adsorción física y de la quimisorción........................................
39
Tabla 9. Relaciones de alcalinidad........................................................................................
48
Tabla 10. Propiedades del CO2.............................................................................................
49
Tabla 11. Especificaciones de las soluciones salinas saturadas para las isotermas de 55 sorción de humedad a 25°C................................................................................................... Tabla 12. Hidratos para el hidróxido de sodio......................................................................
61
Tabla 13. Hidratos para el hidróxido de potasio ..................................................................
62
Tabla 14. Composición química inicial ...............................................................................
63
Tabla 15. Actividad de agua de soluciones salinas saturadas preparadas a 25°C.................
63
Tabla 16. Datos experimentales registrados para el hidróxido de sodio a 15°C...................
64
Tabla 17. Datos experimentales registrados para el hidróxido de sodio a 25°C...................
65
Tabla 18. Datos experimentales registrados para el hidróxido de sodio a 35°C...................
66
Tabla 19. Datos experimentales registrados para el hidróxido de potasio a 15°C................
67
Tabla 20. Datos experimentales registrados para el hidróxido de potasio a 25°C................
68
xiv
Tabla 21. Datos experimentales registrados para el hidróxido de potasio a 35°C................
69
Tabla 23. Propiedades del agua líquida a diferentes temperaturas.......................................
70
Tabla 24. Propiedades del aire..............................................................................................
70
Tabla 25. Datos para cálculo modelo de la humedad de equilibrio......................................
71
Tabla 26. Resultados Humedad de equilibrio experimental para las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio, en el rango de actividad de agua 0,04 a 0,89; a 72 diferentes temperaturas......................................................................................................... Tabla 27. Resultados Parámetros de ajuste del modelo de BET para la predicción de las isotermas de sorción del hidróxido de sodio a 15°C, 25°C y 35°C......................................
78
Tabla 28. Resultados Parámetros de ajuste del modelo de GAB para la predicción de las 78 isotermas de sorción del hidróxido de sodio a 15°C, 25°C y 35°C...................................... Tabla 29. Resultados Parámetros de ajuste del modelo de PELEG para la predicción de 78 las isotermas de sorción del hidróxido de sodio a 15°C, 25°C y 35°C................................. Tabla 30. Resultados Parámetros de ajuste del modelo de GDW para la predicción de las 79 isotermas de sorción del hidróxido de sodio a 15°C, 25°C y 35°C...................................... Tabla 31. Resultados Parámetros de ajuste del modelo de BET para la predicción de las 79 isotermas de sorción del hidróxido de potasio a 15°C, 25°C y 35°C.................................... Tabla 32. Resultados Parámetros de ajuste del modelo de GAB para la predicción de las 79 isotermas de sorción del hidróxido de potasio a 15°C, 25°C y 35°C.................................... Tabla 33. Resultados Parámetros de ajuste del modelo de PELEG para la predicción de 79 las isotermas de sorción del hidróxido de potasio a 15°C, 25°C y 35°C.............................. Tabla 34. Resultados Parámetros de ajuste del modelo de GDW para la predicción de las 80 isotermas de sorción del hidróxido de potasio a 15°C, 25°C y 35°C.................................... Tabla 35. Resultados Modelo de PELEG ajustado para la predicción de la humedad de 81 equilibrio del hidróxido de sodio a 15°C, 25°C y 35°C........................................................ Tabla 36. Resultados Modelo de PELEG ajustado para la predicción de la humedad de 82 equilibrio del hidróxido de potasio a 15°C, 25°C y 35°C.....................................................
xv
Tabla 37. Resultados Humedades de equilibrio calculadas con el modelo de PELEG para 82 hidróxido de sodio a 15°C, 25°C y 35°C.............................................................................. Tabla 38. Resultados Humedades de equilibrio calculadas con el modelo de PELEG para 83 el hidróxido de potasio a 15°C, 25°C y 35°C....................................................................... Tabla 39. Resultados de la Actividad de agua a nivel de monocapa, obtenida con la 84 ecuación de PELEG a 15°c, 25°C y 35°C............................................................................. Tabla 40. Límite superior de la región de la isoterma...........................................................
84
Tabla 41. Resultado Análisis de formación de hidratos en el hidróxido de sodio a 15, 25 86 y 35°C.................................................................................................................................... Tabla 42. Resultados Análisis de formación de hidratos en el hidróxido de potasio a 15, 87 25 y 35°C............................................................................................................................... Tabla 43. Resultados de Solubilidad del CO2 en el agua sorbida por muestras de
90
hidróxido de sodio a diferentes actividades de agua y temperaturas.................................... Tabla 44. Resultados de Solubilidad del CO2 en el agua sorbida por muestras de 91 hidróxido de potasio a diferentes actividades de agua y temperaturas................................. Tabla 45. Características de la muestra.................................................................................
92
Tabla 46. Resultados Fracción másica de Na2CO3 generados..............................................
94
Tabla 47. Resultados Fracción másica de K2CO3 generados................................................
95
Tabla 48. Características de la muestra.................................................................................
96
Tabla 49. Resultados Moles de NaOH remanentes...............................................................
97
Tabla 50. Resultados Moles de KOH remanentes................................................................
98
Tabla 51. Resultados Fracción másica de NaOH remanentes...............................................
99
Tabla 52. Resultados Fracción másica de KOH remanentes................................................
100
Tabla 53. Tabla de Humedad de Equilibrio para el NaOH...................................................
104
Tabla 54. Tabla de Humedad de Equilibrio para el KOH.....................................................
105
Tabla 55. Datos de humedad de de equilibrio para el KOH.................................................
106
Tabla 56. Resultados de humedad de equilibrio del hidróxido de sodio a 15°C, 25°C y
107
35°C....................................................................................................................................... Tabla 57. Resumen de Resultados........................................................................................ xvi
108
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Lentejas de hidróxido de sodio..............................................................................
8
Figura 2. Esquema del funcionamiento de una celda de membrana. Industria cloro-sosa 13 [EUROCHLOR].................................................................................................................... Figura 3. Esquema del funcionamiento de una celda de diafragma. Industria cloro-sosa 15 [EUROCHLOR].................................................................................................................... Figura 4. Esquema del proceso de fabricación de cloro y sosa utilizando celdas de
16
mercurio [EUROCHLOR].................................................................................................... Figura 5. Proceso de producción de sosa cáustica por electrólisis........................................
20
Figura 6. Formas de sosa cáustica.........................................................................................
23
Figura 7. Hidróxido de sodio en perlas (Fábrica Procesos y Colores, Tambillo).................
24
Figura 8. Hidróxido de sodio en escamas (Transmerquim S.A., Sangolquí)........................
24
Figura 9. Lentejas de hidróxido de potasio...........................................................................
25
Figura 10. Proceso de producción de potasa cáustica por electrólisis..................................
28
Figura 11. Formas de potasa cáustica...................................................................................
30
Figura 12. Hidróxido de potasio en escamas (Transmerquim S.A., Sangolquí)...................
31
Figura 13. Disposición del método.......................................................................................
37
Figura 14. Esquema que ilustra la función del adsorbato y adsorbente................................
38
Figura 15. Tipos de isotermas de sorción propuestas por Brunauer ....................................
40
Figura 16. Diagrama de flujo del proceso experimental.......................................................
51
Figura 17. Diseño Experimental...........................................................................................
52
Figura 18. Disposición de frascos de cierre hermético.........................................................
54
Figura 19. Estabilización de soluciones salinas saturadas....................................................
57
xvii
LISTA DE GRÁFICOS
pág.
Gráfico 1. Tipos de humedad................................................................................................ Gráfico 2. Isoterma de sorción.............................................................................................. Gráfico 3. Regiones de la isoterma de sorción de humedad.................................................
34 40 45
Gráfico 4. Isotermas de sorción de humedad experimentales para el hidróxido de sodio a varias temperaturas...............................................................................................................
73
Gráfico 5. Isotermas de sorción de humedad experimentales para el hidróxido de potasio a varias temperaturas............................................................................................................
73
Gráfico 6. Ajuste de los cuatro modelos matemáticos para las isotermas de sorción de humedad del hidróxido de sodio a 15°C..............................................................................
74
Gráfico 7. Ajuste de los cuatro modelos matemáticos para las isotermas de sorción de humedad del hidróxido de sodio a 25°C..............................................................................
75
Gráfico 8. Ajuste de los cuatro modelos matemáticos para las isotermas de sorción de humedad del hidróxido de sodio a 35°C..............................................................................
75
Gráfico 9. Ajuste de los cuatro modelos matemáticos para las isotermas de sorción de humedad del hidróxido de potasio a 15°C...........................................................................
76
Gráfico 10. Ajuste de los cuatro modelos matemáticos para las isotermas de sorción de humedad del hidróxido de potasio a 25°C...........................................................................
76
Gráfico 11. Ajuste de los cuatro modelos matemáticos para las isotermas de sorción de humedad del hidróxido de potasio a 35°C........................................................................... Gráfico 12. Regiones de las isotermas de humedad para el hidróxido de sodio................... Gráfico 13. Regiones de las isotermas de humedad para el hidróxido de sodio...................
xviii
77 85 85
Gráfico 14. Curvas de tendencia teóricas de carbonatos generados en las muestras a condiciones experimentales..................................................................................................
101
Gráfico 15. Curvas de tendencia teóricas de hidróxidos remanentes en las muestras a condiciones experimentales..................................................................................................
101
Gráfico 16. Curvas de tendencia experimentales de carbonatos generados en las muestras.................................................................................................................................
102
Gráfico 17. Curvas de tendencia experimentales de hidróxidos remanentes en las muestras.................................................................................................................................
102
Gráfico 18. Resultado dela humedad de equilibrio a 20°C...................................................
107
xix
GLOSARIO
Absorción: Es un proceso en el cual las moléculas o átomos de una fase interpenetran casi uniformemente en los de otra fase constituyéndose una "solución" con esta segunda.
Actividad de agua: Es una medida del agua líquida disponible (agua de diferentes naturalezas) para reacciones químicas en un producto y se define como la relación que existe entre la presión parcial de vapor de agua en el equilibrio de la muestra ( ) y la presión de vapor del agua pura en el equilibrio
a la misma temperatura.
Adsorción: Proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra sobre la superficie de otra fase (generalmente sólida). Por ello se considera como un fenómeno superficial. La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama "adsorbato" y la fase adsorbente se llama "adsorbente".
Adsorbato: Sustancia adsorbida en la superficie de un adsorbente, el adsorbato se adhiere sobre la superficie del adsorbente por un proceso de adsorción. El carbón activado es el adsorbente y el ácido acético es el adsorbato.
Adsorbente.- Sólido que tiene la capacidad de retener sobre su superficie un componente presente en corrientes líquidas o gaseosas. Se caracterizan por una alta superficie específica y por su inercia química frente al medio en el que se van a utilizar.
Agua: Sustancia cuyas moléculas están formadas por la combinación de un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno, líquida, inodora, insípida e incolora. Es el componente más abundante de la superficie terrestre, forma la lluvia, las fuentes, los ríos y los mares; es parte constituyente de todos los organismos vivos y aparece en compuestos naturales.
Alcalinidad: Medida de la capacidad de un agua para neutralizar ácidos y bases, por lo general, se debe a los componentes de bicarbonato, carbonato e hidróxido presentes en un agua natural o tratada.
xx
CONSEP: Consejo Nacional de Control de Sustancias Estupefacientes y Psicotrópicas. Es una Institución creada para el control y fiscalización de precursores y sustancias químicas específicas teniendo funciones y atribuciones en todo el país para la aplicación y cumplimiento de la Ley 108 sobre sustancias estupefacientes y psicotrópicas.
Contenido de humedad de un sólido: Se expresa por lo común como la cantidad de humedad por unidad de peso de sólido seco o húmedo.
Contenido de humedad en equilibrio: Es la humedad limitante a la cual un material dado se puede secar en condiciones específicas de temperatura y humedad del gas.
Dióxido de carbono: Gas incoloro, inodoro y con un ligero sabor ácido, cuya molécula consiste en un átomo de carbono unido a dos átomos de oxígeno (CO2). El dióxido de carbono es 1,5 veces aproximadamente más denso que el aire. Es soluble en agua en una proporción de un 0,9 de volumen del gas por volumen de agua a 20 °C.
Hidrato: Los hidratos contienen moléculas de agua que o bien están ligadas a un núcleo metálico o están cristalizadas con el complejo metálico. Tales hidratos se dice que poseen "agua de cristalización" o "agua de hidratación". Ésta es liberada cuando el hidrato es sometido a alta temperatura, la red se rompe y deja escapar una o más moléculas de agua.
Hidróxidos: Compuestos químicos han sido conocidos con el nombre de álcalis desde la antigüedad. Los hidróxidos resultan de la combinación de un óxido con el agua. Los hidróxidos también se conocen con el nombre de bases. Estos compuestos son sustancias que en solución producen iones hidroxilo.
Isoterma de sorción: curva que resulta al graficar la relación entre el contenido de agua o humedad y la aw en equilibrio, cuando el proceso ocurre a temperatura constante. Método isopiestico: El término "isopiéstico" significa igualdad en presiones de vapor del agua. En este método se utiliza el aparato isopiéstico, en el cual se coloca la solución a la cual se va a determinar la actividad del agua, en equilibrio con otra solución conocida o de referencia. En el estado de equilibrio ambas soluciones poseen la misma presión de vapor del agua y por lo tanto el mismo valor de actividad del agua.
Modelo: Arquetipo o punto de referencia para imitarlo o reproducirlo. Reproducción ideal y concreta de un fenómeno con fines de estudio y experimentación. xxi
Monocapa: Se define como la situación en la que una sola capa de moléculas de agua cubre la totalidad de la superficie del material.
Parámetro: Constante arbitraria que aparece en la ecuación de una curva, superficie, etc.
Presión: Magnitud física que expresa la fuerza ejercida por un cuerpo sobre la unidad de superficie.
Precursor químico: Sustancia que puede utilizarse en la producción, fabricación y/o preparación de estupefacientes, sustancias psicotrópicas o sustancias de efecto semejante y que incorpora su estructura molecular al producto final.
Sorción: Término utilizado especialmente, para denotar la habilidad de un producto higroscópico en el proceso de ganar o perder agua hasta alcanzar un estado de equilibrio.
Sustancias estupefacientes: Son aquellas cuyo uso está prohibido por la ley, porque su utilización no tiene una finalidad médicamente (terapéutica) sustentable, entre estas drogas se encuentran: la cocaína, la heroína, la marihuana.
Sustancia delicuescente: Los materiales delicuescentes (del latín deliquescere, hacerse líquido) son sustancias que tienen una fuerte afinidad química por la humedad y que adsorben cantidades relativamente altas de agua si son expuestos a la atmósfera, formando una solución líquida.
Sustancia higroscópica: Propiedad de algunas sustancias de adsorber y exhalar la humedad, según el medio en que se encuentran.
Sustancias químicas esenciales.- Son las que, no siendo precursores, tales como solventes, reactivos o catalizadores, pueden utilizarse en la producción, fabricación, extracción y/o preparación de estupefacientes y sustancias psicotrópicas.
Sustancias psicotrópicas: Estas son las más permitidas, es decir, que su uso no está prohibido, sin embargo, se encuentran controladas. Muchas de estas drogas son vendidas y consumidas libremente como cualquier medicamento de venta sin receta.
Temperatura: Magnitud física que expresa el grado o nivel térmico de los cuerpos o del ambiente.
xxii
COMPORTAMIENTO DEL HIDRÓXIDO DE SODIO Y POTASIO EN FUNCIÓN DE LA HUMEDAD Y TEMPERATURA AMBIENTAL
RESUMEN
Estudio del comportamiento del hidróxido de sodio e hidróxido de potasio bajo diferentes condiciones de humedad relativa y temperatura del aire, determinándose las humedades de equilibrio, y el modelo matemático para la isoterma de sorción de humedad. Se diseñaron cámaras herméticas con humedades relativas entre 4% y 89%, donde se colocaron las muestras que previamente fueron caracterizadas física y químicamente. Se varió la temperatura de las cámaras 15, 25 y 35ºC y las variaciones de masa se hicieron cada 3 días, hasta tener masas constantes. Con los datos se obtuvo la humedad de equilibrio de cada compuesto y se ajustaron al modelo matemático propuesto por Peleg, con los siguientes coeficientes de correlación: 0,9996; 0,9997; 0,9999 para el NaOH y 0,9998; 0,9996; 0,9993 para el KOH, a cada temperatura. Se consideró también la influencia del dióxido de carbono del aire sobre las muestras, para la formación de carbonato de sodio y carbonato de potasio, respectivamente. Se concluye que estas sustancias son totalmente delicuescentes al ser expuestos a humedades relativas y temperaturas altas y el modelo ajustado describe su comportamiento frente a estas variables, dando un enfoque más real de la ganancia de masa durante su almacenamiento.
PALABRAS CLAVES: / HIDRÓXIDO DE SODIO/ HIDRÓXIDO DE POTASIO/ CONSEP/ HUMEDAD RELATIVA/ TEMPERATURA/ ISOTERMAS DE SORCIÓN/ MODELOS MATEMÁTICOS/ MODELO DE PELEG/
xxiii
BEHAVIOUR OF SODIUM AND POTASSIUM HIDROXIDES IN FUNCTION HUMIDITY AND TEMPERATURE ENVIRONMENTAL
ABSTRACT
Study the behavior of sodium hydroxide and potassium hydroxide under different conditions of relative humidity and air temperature, determining the equilibrium moisture and the mathematical model for moisture sorption isotherm. Hermetic chambers were designed relative humidities between 4% and 89%, where the samples are placed previously was characterized physically and chemically. The temperature was varied from the chambers 15, 25 and 35 ° C and the mass variations were made every 3 days until masses have constant. The data was obtained equilibrium moisture of each compound and fitted to the mathematical model proposed by Peleg, the following correlation coefficients: 0.9996, 0.9997, 0.9999 and 0.9998 for NaOH, 0, 9996; 0.9993 for the KOH, at each temperature. It was also considered the influence of carbon dioxide from the air on the samples to the formation of sodium carbonate and potassium carbonate respectively. We conclude that these substances are completely deliquescent when exposed to high temperatures and relative humidities and the adjusted model describes their response to these variables, giving a more real mass gain during storage.
KEYWORDS:
/SODIUM
HYDROXIDE/
POTASSIUM
HYDROXIDE/
CONSEP/
RELATIVE HUMIDITY/ TEMPERATURE/ SORPTION ISOTHERMS/ MATHEMATICAL MODELS/ MODEL PELEG/
xxiv
INTRODUCCIÓN
En el Ecuador existe una ley que por medio del Consejo Nacional de sustancias Estupefacientes y Psicotrópicas CONSEP, controla el proceso de importación, exportación, distribución, transporte, almacenamiento, venta y utilización de precursores químicos que se emplean en el mercado de las drogas para el proceso de refinación de sustancias psicotrópicas y estupefacientes.
La ley de Sustancias Estupefacientes y Psicotrópicas, realiza la fiscalización de forma exacta a todas estas sustancias químicas catalogadas, sin considerar posibles excedentes o mermas en masa ocasionados por la naturaleza misma del producto o por las condiciones de almacenamiento en la industria; con la elaboración del presente trabajo se pretende contribuir con información que el CONSEP considere al realizar la fiscalización y ayude a restaurar la actual ley, al conocer y analizar el comportamiento de ciertas sustancias granulares higroscópicas, específicamente hidróxido de sodio e hidróxido de potasio, mediante datos de humedad de equilibrio y los respectivos modelos matemáticos que permiten predecir los cambios de estas sustancias frente a diferentes condiciones de humedad relativa y temperatura del aire.
El presente proyecto forma parte de varios estudios que el CONSEP está llevando a cabo. Institución que mantiene un convenio de cooperación con la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador para desarrollar proyectos de investigación de interés para el uso lícito de sustancias controladas en el país.
Con el fin de analizar cuál es su comportamiento frente a diferentes condiciones de humedad y temperatura se procede a construir la isoterma de sorción de humedad. Al obtener los datos experimentales de humedad de equilibrio se procedió a ajustarlos con los modelos matemáticos existentes como de: BET, GAB, GDW y PELEG. Este último se ajusta perfectamente a todo rango de datos, proporcionando coeficientes de correlación de 0,9996; 0,9997; 0,9999 para el NaOH y 0,9998; 0,9996; 0,9993 para el KOH, a 15, 25 y 35°C respectivamente. Los modelos ajustados obtenidos permiten obtener la cantidad de masa que se incrementa por exposición a humedad y temperatura; expresada como la máxima cantidad de agua que pueden adquirir las sustancias. 1
Con el aumento
de humedad y temperatura los sistemas estudiados son totalmente
delicuescentes y además al encontrarse dispuestos en ambientes abiertos el dióxido de carbono del aire favorece la formación de carbonatos, aunque esta sea en pequeña proporción.
La información generada de las isotermas de sorción de humedad, puede además ser utilizada para estimar la estabilidad y el tiempo de vida de anaquel mediante cálculos posteriores. Finalmente los resultados obtenidos permitirán dar un enfoque más real de la ganancia de masa que el Hidróxido de Sodio e Hidróxido de Potasio admiten durante su almacenamiento y manipulación.
2
1. EL PROBLEMA
1.1 Planteamiento del problema
En el Ecuador existe una ley que por medio del Consejo Nacional de sustancias Estupefacientes y Psicotrópicas CONSEP, controla el proceso de importación, exportación, distribución, transporte, almacenamiento, venta y utilización de precursores químicos que se emplean en el mercado de las drogas para el proceso de refinación de sustancias psicotrópicas y estupefacientes.
La ley de Sustancias Estupefacientes y Psicotrópicas, realiza la fiscalización de forma exacta de todas estas sustancias químicas catalogadas, sin considerar posibles excedentes o mermas en masa ocasionados por la naturaleza misma del producto o por las condiciones de almacenamiento en la industria.
Ciertas sustancias granulares, como es el caso del hidróxido de sodio e hidróxido de potasio que son sólidos higroscópicos, pueden absorber humedad y dióxido de carbono del aire alterando su estabilidad y calidad; esto significa que al estar expuestos a diferentes condiciones de humedad medioambiental pueden ganar masa.
Con estos antecedentes, se propone conocer y analizar el comportamiento de sustancias granulares higroscópicas, específicamente hidróxido de sodio e hidróxido de potasio, mediante datos de humedad de equilibrio y los respectivos modelos matemáticos que permiten predecir los cambios de estas sustancias frente a diferentes condiciones de humedad relativa y temperatura del aire, además de contribuir con información que el CONSEP pueda considerar al realizar la fiscalización y ayude a restaurar la actual ley.
1.2 Formulación del problema ¿Qué factores se deben considerar en el almacenamiento de sustancias de carácter higroscópico controladas por el CONSEP para que no se altere su estabilidad y calidad, y minimice posibles incrementos en masa?
3
1.3 Interrogantes de la investigación
¿Cuál es el comportamiento del
hidróxido de sodio e hidróxido de potasio frente a
diferentes condiciones de humedad y temperatura ambiental? ¿Qué se puede obtener de la exposición del hidróxido de sodio e hidróxido de potasio frente a diferentes condiciones de humedad y temperatura ambiental? ¿Qué factores se deben considerar para evaluar la estabilidad y calidad de las sustancias controladas por el CONSEP, que mejoren el control de la ley actual? ¿Cómo se puede minimizar los cambios que se producen en sustancias higroscópicas que son expuestas a diferentes condiciones de humedad y temperatura ambiental?
1.4 Objetivos de la investigación
1.4.1 Objetivo General Analizar el comportamiento del hidróxido de sodio e hidróxido de potasio sólido frente a diferentes condiciones de humedad relativa y temperatura ambiental.
1.4.2 Objetivos Específicos Evaluar experimentalmente el comportamiento del Hidróxido de Sodio y Potasio variando condiciones de humedad y temperatura ambiental. Obtener un modelo matemático experimental para el Hidróxido de Sodio y Potasio en función de la humedad y temperatura ambiental. Determinar los factores que se deben considerar al momento de evaluar la estabilidad y calidad de las sustancias controladas por el CONSEP, que mejoren el control de la ley actual. Establecer las condiciones de almacenamiento adecuadas para este tipo de sustancias, que minimicen los cambios que se producen frente a la humedad y temperatura ambiental.
4
1.5 Justificación
El área industrial del Ecuador ha incrementado el uso de sustancias químicas específicas como es el caso del hidróxido de sodio e hidróxido de potasio, donde los mecanismos de control y fiscalización establecidos por el Consejo Nacional de Sustancias Estupefacientes y Psicotrópicas (CONSEP) se han mantenido con el fin de dar suministro y control de forma exacta. Más no considera posibles excedentes o mermas en masa, ocasionados por la naturaleza misma del producto o por las condiciones de almacenamiento en la industria.
Es por ello que se pretende conocer y analizar el comportamiento del hidróxido de sodio e hidróxido de potasio en diferentes condiciones de almacenamiento y obtener un modelo matemático que permita predecir los cambios de estas sustancias frente a diferentes condiciones de humedad relativa y temperatura del aire, principalmente; además de contribuir con información que el CONSEP considere al fiscalizar y ayude a restaurar la actual ley.
5
2. MARCO TEÓRICO
2.1 Consejo Nacional de Control de Sustancias Estupefacientes y Psicotrópicas
El CONSEP es una Institución creada para el control y fiscalización de precursores y sustancias químicas específicas teniendo funciones y atribuciones en todo el país para la aplicación y cumplimiento de la Ley de Sustancias Estupefacientes y Psicotrópicas.
Misión. El Consejo Nacional de Control de Sustancias Estupefacientes y Psicotrópicas ejerce la rectoría de la política de Estado en materia de drogas, centrada en un enfoque integral, equilibrado y solidario, así como en el principio de responsabilidad compartida.
Visión. El Consejo Nacional de Control de Sustancias Estupefacientes y Psicotrópicas ha desarrollado en la nación ecuatoriana una cultura de prevención y control que coadyuva en la reducción de la oferta y la demanda de drogas, encaminada al desarrollo sustentable del país.
2.1.1 Sustancias químicas sujetas a fiscalización. El control de sustancias químicas sujetas a fiscalización y que se utilizan en industrias de todo tipo, está a cargo del Consejo Nacional de Control de Sustancias Estupefacientes y Psicotrópicas, CONSEP.
[1]
Tabla 1. Productos Químicos Específicos No.
Sustancias
No.
Sustancias
1
Acetona
21
Éter de Petróleo
2
Ácido Acético
22
Éter Etílico
3
Ácido Clorhídrico
23
Hexano
4
Ácido Sulfúrico
24
Hidróxido de Potasio
5
Alcohol Isobutílico
25
Hidróxido de Sodio líquido
6
Alcohol Isopropílico
26
Hidróxido de Sodio sólido
7
Amoniaco Anhidro
27
Metil Etil Cetona
8
Amoniaco en disolución acuosa
28
Metil Isobutil Cetona
6
Tabla 1. (Continuación) 9
Anhídrido Acético
29
m-Xileno
10
Benceno
30
Óleum (Ácido Sulfúrico Fumante)
11
Benzol
31
o-Xileno
12
Bicarbonato de Potasio
32
Permanganato de Potasio
13
Bicarbonato de Sodio
33
p-Xileno
14
Carbonato de Potasio
34
Sulfato de Sodio
15
Carbonato de Sodio
35
Tolueno
16
Ciclohexano
36
Toluol
17
Cloruro de Calcio
37
Tricloroetileno
18
Diacetona Alcohol
38
Xileno-mezcla de isómeros
19
Diclorometano
39
Xilol
20
Disulfuro de Carbono
Fuente: CONSEP. Gobierno Nacional de la República del Ecuador [en línea] [Fecha de consulta: 11 de Septiembre de 2011]. Disponible en: http://www.consep.gob.ec/index.php?cod_categoria=1&cod_sub=4
2.2 Álcalis, hidróxidos o bases 2.2.1 Generalidades. “Estos compuestos químicos han sido conocidos con el nombre de álcalis desde la antigüedad, fueron descubiertos durante la época de la ALQUIMIA en las cenizas de la madera y los empleaban para disolver grasas y neutralizar ácidos. Dentro de los cuales tenemos el hidróxido sódico o sosa cáustica, utilizado fundamentalmente como desatascador; el hipoclorito sódico o lejía doméstica, utilizada para lavar, blanquear y desinfectar; el hidróxido amónico o amoniaco, usado como fertilizante y al 70 % en el hogar, y el cálcico o cal viva; entre otros.
2.2.2 Propiedades generales. Son sustancias que intervienen en aquellas reacciones en las que se conseguía neutralizar la acción de los ácidos. Cuando una base se añade a una disolución ácida elimina o reduce sus propiedades características. Otras propiedades observables de las bases son las siguientes:
Poseen un sabor amargo característico.
Sus disoluciones acuosas conducen la corriente eléctrica.
Azulean el papel de tornasol.
Reaccionan con los ácidos (neutralizándolos), para formar una sal más agua 7
La mayoría son irritantes para la piel.
Tienen un tacto jabonoso.
Se pueden disolver.
Sus átomos se rompen con facilidad.
Son inflamables.” [2]
2.2.3 Hidróxido de sodio sólido
Figura 1. Lentejas de Hidróxido de Sodio 2.2.3.1 Descripción. “El hidróxido sódico, NaOH a temperatura ambiente es un sólido cristalino, blanco, sin olor y que absorbe rápidamente dióxido de carbono y humedad del aire (delicuescente), que quema la piel, de donde le vino el nombre de sosa cáustica con que generalmente se conoce en la industria. Cuando se disuelve en agua o cuando se neutraliza con algún ácido libera gran cantidad de calor, el cual puede ser suficiente para hacer que el material combustible en contacto con el hidróxido haga ignición. Se usa generalmente como solución del 50% en peso o como sólido que se comercializa como perlas, hojuelas o escamas. La soda cáustica es una base fuerte altamente reactiva que ataca metales (zinc, aluminio, cobre, plomo) y aleaciones (bronce, latón).
Puede formar compuestos explosivos como el dicloroacetileno, por reacción con cloroetilenos. El “Hidróxido de Sodio Anhidro” reacciona lentamente con muchas sustancias, sin embargo la velocidad de reacción aumenta en gran medida con incrementos de temperatura. En presencia de la humedad del ambiente, el hidróxido de sodio reacciona con el Dióxido de Carbono para generar Carbonato de Sodio. Reacciona con el Monóxido de Carbono bajo presión de 7- 8 atm y temperaturas entre 200 – 250°C para dar Formiato de Sodio, también en presencia de humedad.
8
2 NaOH + CO2 Na2CO3 + H2O CO + NaOH
HCOONa
La hidratación paulatina del Hidróxido de Sodio genera seis diferentes hidratos: NaOH.1H2O, NaOH.2H2O, NaOH.31/2H2O, NaOH.4H2O, NaOH.5H2O, NaOH.7H2O. La gran afinidad del Hidróxido de Sodio por el agua causa una reducción en la presión de vapor del agua y por tal razón es un muy buen agente secante.” [3]
2.2.3.2 Propiedades
Tabla 2. Propiedades Físicas del Hidróxido de Sodio PROPIEDAD
VALOR
Fórmula química
NaOH
Peso Molecular
40,0 g/mol
Estado Físico
Sólido blanco, delicuescente
Punto de fusión o congelación 318°C o 604°F Punto de ebullición
1388°C o 2530°F a 760 mm Hg de presión
Presión de Vapor (mmHg)
0; puro o anhidro
pH
14; Solución 5%
Fuente: BLOGS. Formas soda cáustica [en línea] [Fecha de consulta: 7 de Febrero de 2012]. Disponible en: http://www.oxychile.cl/opensite_20069.aspx
Tabla 3. Datos de Solubilidad del Hidróxido de Sodio en g NaOH/100 g H2O Fórmula
Fase
0°C
10°C
20°C
30°C
40°C
50°C
60°C
109
119
129
145
174
90°C
100°C
313
347
sólida NaOH
4 H 2O
NaOH
3 ½ H2O
NaOH
1 H 2O
42 51,5
NaOH
Fuente: PERRY John, Manual del Ingeniero Químico, Tomo II. Mc Graw Hill.p.2-123
9
2.2.3.3 Especificaciones Técnicas
Tabla 4. Especificaciones Técnicas del Hidróxido de Sodio al 99% (Escamas o Perlas) CARACTERÍSTICAS
ESPECIFICACIÓN
Alcalinidad Total
76
% mín.
como Na2O
Hidróxido de sodio
98
% mín.
como NaOH
Carbonato de sodio
1.00
% máx.
como NaCO3
Cloruros
0.075
% máx.
como Na Cl
0.05
% máx.
como Na 2SO4
Cloratos
Exento
% máx.
como NaClO3
Hierro total
15
ppm máx.
como Fe
Arsénico
Exento
ppm máx.
como As
Fuente: PARRAGA Jimmy. Soda cáustica [en línea] [Fecha de consulta: 7 de Febrero de 2012]. Disponible en: http://www.proquimsaec.com/FichaTecnica/Soda_caustica_en_escama.pdf
2.2.3.4 Obtención Industrial. “El hidróxido de sodio, que se conoce comúnmente como soda cáustica, se produce comercialmente por dos métodos básicos: proceso químico (caustificación) y modernamente por electrólisis. La mayoría de la soda cáustica se produce a partir de celdas electrolíticas. Hay tres tipos de celdas electrolíticas: diafragma, mercurio y de membrana (que se describirán posteriormente). En esta parte se estudiará primero los métodos para producir soda cáustica diluida y posteriormente la concentración de las soluciones de soda cáustica obtenidas.
2.2.3.4.1 Tratando carbonato de sodio con cal apagada. La soda cáustica de proceso químico se produce mediante la reacción de carbonato de sodio (Na2CO3) con hidróxido de calcio [Ca(OH)2] para formar hidróxido de sodio (NaOH) y carbonato de calcio (CaCO3). La conocida reacción de caustificación:
Na2CO3 (ac) + Ca(OH)2 (ac) CaCO3 (s)+ 2NaOH(ac)
Se prepara por filtración de carbonato de calcio, precipitado; y el líquido que pasa se evapora hasta sequedad.
10
Las plantas de caustificación funcionan en operación continua o intermitente y según dos procesos algo diferentes, que se tratarán a continuación:
a) Proceso Intermitente
Se disuelve una partida de carbonato sódico en un tanque, con agua de condensación u otra agua de retorno, hasta obtener una solución aproximadamente de densidad 1.13 (17° Bé), que se calienta hasta 85-91°C y se agita mientras se añade cal. Por lo común, varios de estos tanques funcionan alternadamente; esto es mientras se está cargando uno, otro está siendo agitado y calentado, en un tercer tanque se está efectuando la sedimentación y del cuarto se está sacando el líquido claro. Se continúa con la agitación por unas horas y luego se deja sedimentar la solución. El líquido claro se extrae por aspiración y se pone en tanques de almacenamiento donde poco a poco se asientan las últimas partículas de cal.
El sedimento de cal se lava primero con aguas de lavado de partidas anteriores y después con agua. En los líquidos de lavado que tienen mayor concentración de álcali, se disuelve el carbonato sódico y se apaga la cal. El lavado final se hace con agua limpia para que el sedimento de cal tenga muy bajo valor de álcali y se arrastra a una balsa de desechos o bien se convierte en una papilla para calcinarla.
b) Caustificación Continua
Las operaciones continuas son más apropiadas para fábricas grandes y la primera operación que aquí se escribirá es la filtración doble. El carbonato sódico seco procedente de un tanque de pesada u otra clase de depósito se introduce con velocidad regulada exactamente en tanques de disolución, agitados y se van agregando, medidas con contador de agua. En apagadores giratorios se prepara simultáneamente lechada de cal, con cal que se trae directamente y aguas de lavado débiles.
Las corrientes de lechada de cal y de carbonato entran simultáneamente en un tanque de reacción o caustificador. De los caustificadores que por lo general se agitan violentamente y se calientan hasta cerca de 100°C, toda la suspensión pasa a calderas que sirven de caustificadores secundarios y decantadores preliminares. Mediante una bomba de diafragma regulada, se introduce la suspensión en el primero de dos filtros giratorios en serie. La torta del primer filtro se lava continuamente con el filtrado del segundo; el filtrado del primero, junto con el líquido que rebosa de los caustificadores secundarios, se distribuye directamente en una serie de sedimentadores finales y luego en depósitos de aguas débiles. 11
Periódicamente se pasan al ciclo de filtración una parte de la pequeña suspensión residual de carbonato cálcico que se asienta en los clarificadores finales y la mínima porción que se recoge en los depósitos. La torta que se avienta del primer filtro se vuelve a convertir en pulpa inmediatamente por la cuchilla raedera, empleando para ello solución diluida de carbonato sódico, que generalmente es el filtrado de la siguiente o segunda operación de filtro. La torta del primer filtro reconvertida en pulpa se digiere por algún tiempo en los tanques de almacenamiento de lodos, situados entre los filtros, luego se introduce en el segundo filtro, donde se lava con agua limpia caliente que viene de un vertedero continuo, para reducir el valor del álcali del carbonato sódico no digerido y del álcali sobrante. La torta del segundo filtro se convierte en pulpa y luego se envía a la balsa de desechos para calcinarla.
La operación continua es el lavado en contracorriente. Del caustificador secundario antes descrito, que en las plantas de lavado en contracorriente se suele denominar decantador primario, la suspensión se distribuye en una serie de vasos de decantación por los que fluye en dirección contraria a una corriente relativamente pequeña de agua. El líquido de rebose del caustificador secundario, al igual que en el procedimiento anterior, alimenta los evaporadores. Pasa por los sedimentadores primario y secundario y últimamente por una combinación de tanques de sedimentación y almacenamiento antes de ser introducidos en los evaporadores.
El lavado en contracorriente se hace en un lavador de bateas o en una serie de tanques decantadores. La papilla fluida de lodo de carbonato cálcico en solución de 10.5% de NaOH se introduce en el primer tanque junto con el líquido de rebose casi claro del siguiente tanque de la serie. La agitación es muy moderada y consiste en la acción del rastrillo que concentra el lodo hacia el centro de cada tanque, de donde se extrae con bombas de diafragma y se introduce en el siguiente tanque. Cada tanque de la serie funciona de igual modo.
La corriente final de lodo que sale del último tanque de esta serie, se bombea directamente a la balsa de desechos o bien a los tanques de almacenamiento de papilla para los hornos de recalcinación.” [4] 2.2.3.4.2 Electrólisis Cloro-Álcali. “El proceso de la electrólisis de salmuera para producir soda cáustica, cloro e hidrógeno se llama proceso de electrólisis (cloro-álcali). Este se clasifica en la membrana, el diafragma y los procesos de mercurio. A partir de octubre de 1999, todas las
12
plantas de cloro-álcali japoneses usan el proceso de membrana y aproximadamente el 13% de soda cáustica electrolíticamente producida en América del Norte se produce en este proceso.
a) Método de la Celda de Membrana
Se introdujeron en el mercado a partir de 1970. Las reacciones redox son las mismas que en las de diafragma. La diferencia fundamental y crucial con éstas es que en las celdas de membrana (fig. 2) el material que separa el ánodo del cátodo es una membrana de intercambio catiónico perfluorada, selectiva a los iones sodio. Por lo tanto, el cátodo no está constituido por la salmuera que difunde del ánodo, sino por una disolución acuosa diluida de hidróxido sódico que se alimenta independientemente. Se obtiene así una disolución de sosa cáustica prácticamente exenta de iones cloruro.
Figura 2. Esquema del funcionamiento de una celda de membrana. Industria cloro-sosa. [EUROCHLOR] Las reacciones que se producen son las siguientes:
Ánodo: 2 Cl- Cl2 + 2 eCátodo: 2H2O + 2 e- H2 + 2OH-
La salmuera se alimenta por el compartimiento anódico a una concentración del 25% en peso y a una temperatura de 80 – 95°C. La membrana de intercambio catiónico es el tipo bicapa (fig.4), y está diseñada para impedir el paso de iones cloruro del ánodo al cátodo, así como de los iones hidroxilo del cátodo al ánodo. Por tanto, la pureza del cloro es superior a la obtenida en celdas de diafragma. 13
El agua en la cámara del cátodo, en parte se disocia en hidrógeno (H+) e iones hidróxido (OH-). Los iones de hidrógeno capturan los electrones en la superficie del cátodo para formar gas hidrógeno (H2). La solución obtenida por el proceso de la membrana celular es, nominalmente, 33-35% en peso. La evaporación es utilizada, como en el proceso de diafragma, para aumentar la concentración hasta el nominal de 50% de la solución peso adecuado para los envíos.
La sosa cáustica producida por el proceso de la membrana celular es más comúnmente conocida como grado membrana. También cuenta con una aceptación cada vez mayor como un producto de grado Rayón en todas las áreas fuera de la producción de fibras de rayón. Otra terminología que se utiliza es de alta pureza y de calidad técnica.
b) Método de la Celda de Diafragma
Aproximadamente el 71% de Soda Cáustica electrolítico producido en América del Norte se produce en este proceso. Este proceso utiliza el amianto, o sustitutos alternativos al amianto, para separar la sosa cáustica co-productos y cloro.
Se alimenta el sistema continuamente con salmuera que circula desde el ánodo hasta el cátodo. Las reacciones que se producen son las siguientes: Ánodo: 2 Cl- Cl2 + 2 eCátodo: 2H2O + 2 e- H2 + 2OH-
En la figura 3 se esquematiza una celda de diafragma. Los compartimentos anódico y catódico se encuentren separados por un diafragma basado en amianto mezclado con diversos polímeros para mejorar su eficacia e incrementar su vida media (3 a 4 años). El amianto está en contacto directo con el cátodo. La salmuera se alimenta por el compartimiento anódico en una concentración de 30%. En el ánodo se produce cloro, y parte de la salmuera migra hacia el cátodo por difusión puesto que el diafragma es poroso.
En el cátodo la reducción del agua produce hidrógeno e iones hidroxilo que junto con los iones sodio contenidos en la salmuera dan lugar a la sosa cáustica. Tanto el hidrógeno como la disolución de sosa contaminada con cloruro sódico salen por el parte interior del cátodo.
14
El "licor de la célula" posteriormente se evapora en un proceso de evaporación de tres o cuatro "efectos" a una concentración final nominal de NaOH al 50% en peso (49-52% rango). El exceso de sal se precipita y se filtra a través del proceso de evaporación de reutilizar / reciclar. Este proceso produce la más baja calidad de las soluciones de electroquímica soda cáustica.
Figura 3. Esquema del funcionamiento de una celda de diafragma. Industria cloro-sosa [EUROCHLOR]
El ánodo permanece estable mientras que el cátodo es una tela metálica de acero inoxidable recubierta con ciertos catalizadores como níquel expandido para minimizar el sobrevoltaje de desprendimiento de hidrógeno.
La celda de diafragma produce soda cáustica que se refiere a menudo como grado diafragma. También se le llama grado comercial, grado técnico, y diafragma en ocasiones técnicas u otras combinaciones similares.
Un grado adicional de la sosa cáustica producida por el proceso de celda de diafragma es el grado purificado. La producción de grado purificado implica la mayor evaporación de la solución de grado diafragma 50% de sosa cáustica para reducir la concentración de sal.
c) Método de la Amalgama de Mercurio
La electrólisis con celdas de amalgama de mercurio fue el primer método empleado para producir cloro a escala industrial. Aproximadamente el 13% de soda cáustica electrolíticamente producida en América del Norte se produce por este proceso. 15
Se emplea un cátodo de mercurio y un ánodo de titanio recubierto de platino u óxido de platino. El cátodo está depositado en el fondo de la celda de electrólisis y el ánodo sobre éste, a poca distancia. La celda se alimenta con cloruro de sodio y, con la diferencia de potencial adecuada, se produce la electrólisis: Ánodo: 2 Cl- Cl2 + 2eCátodo: Na+ + 1 e- + Hg Na(Hg)
A continuación se procede a la descomposición de la amalgama de sodio (0,5% en peso de sodio) formada para recuperar el mercurio. La base sobre la que está la amalgama está ligeramente inclinada y de esta forma va saliendo de la celda de electrólisis y se pasa a un descomponedor relleno con grafito en donde se añade agua a contracorriente, produciéndose la reacción: 2 Na(Hg) + 2H2O 2Hg + 2NaOH +H2
Al pasar por el descomponedor, se recupera el mercurio para su reutilización en el circuito. Regulando la cantidad de agua que alimenta el reactor es posible obtener directamente la sosa a su concentración de comercialización, 50% en peso.
Figura 4. Esquema del proceso de fabricación de cloro y sosa utilizando celdas de mercurio. [EUROCHLOR]
La celda de mercurio produce sosa cáustica que se suele denominar como grado de celdas de mercurio, o más comúnmente, Grado Rayón. La mayoría de la producción de fibras de 16
rayón depende de la disponibilidad de la solución de alta pureza de grado Rayón soda cáustica.” [5]
2.2.3.4.3 Concentración de las soluciones diluidas de sosa cáustica a) Concentración a más de 50 por ciento. “Cada día llega al comercio de los Estados Unidos una cantidad mayor de disoluciones de sosa cáustica calientes de 70 y 74% en vagones tanques muy bien aislados, y cada vez es menor la cantidad de sosa en estado anhidro que se despacha en bidones de 700 libras. Antes se despachaba gran parte del producto anhidro, porque aún no se habían perfeccionado los vagones tanques para esta clase de embarques y eran relativamente pocos los consumidores que compraban sosa en partidas tan grandes. El producto anhidro se usa hoy en forma de escamas para operaciones especiales y la sosa anhidra fundida, sólida, se destina casi toda la evaporación. La solución de 70 ó 74% se prepara en evaporadores calentados a vapor, y la porción del producto que no se embarca sirve para alimentar la operación de deshidratación. Muchas plantas de sosa cáustica no preparan estas soluciones de 70 y 74%, sino que introducen la solución de 50 ó 40% en las calderas de hierro colado para preparar el producto anhidro.
b) Solución extraconcentrada (70 a 74%). La materia prima es solución de sosa de 50%, clarificada y vendible y generalmente se calienta en evaporadores de efecto sencillo, presión moderada y circulación natural. Se requiere níquel para la superficie de calentamiento, tanto para la duración de la caldera como para evitar contaminación con hierro.
El hierro entra con bastante facilidad en solución con sosa cáustica caliente de 70%, e incluso el níquel se disuelve con mayor rapidez de lo que sería de desear en un producto de alta calidad, de suerte que algunos evaporadores se protegen electrolíticamente para inhibir la disolución del níquel. Durante la operación se regulan la densidad y la temperatura de la corriente de descarga. La solución de alimentación y la presión de vapor se regulan con arreglo a la velocidad de producción que se desee. En concentración de 70 a 74% no se precipita cantidad importante de impurezas. Así, el producto de los evaporadores sale listo para su despacho inmediato, y se almacena y carga como la solución de 50%.
c) Sosa cáustica anhidra. La sosa cáustica anhidra comercial se prepara concentrando a fuego directo la solución de 50 o de 70% en grandes marmitas de hierro colado. Por lo general, se opera por partidas, y el ciclo es de cuatro o seis días. Las marmitas suelen tener capacidad de 10 a 16 toneladas de sosa cáustica y son más o menor semiesféricas. Las mejores marmitas tienen fondo cicloidal y el cuerpo es cilíndrico, bastante largo y tangente al fondo. 17
Se fabrican de hierro colado de tres pulgadas (76.2 mm) de espesor, y por su tamaño y sus cualidades muy especializadas en lo que atañe a la corrosión y la transferencia de calor, representan gran adelanto en el arte de la fundición.
Al principio del ciclo se llena la marmita con solución de 70% y se regula con exactitud la corriente para mantener el nivel; también se regula el fuego para conservar el grado de ebullición. Algunas impurezas de la sosa producen espuma, que ocasionan bastantes dificultades, de suerte que es importante la regulación del fuego. Se sumerge un pirómetro en la carga para graduar la ebullición. En la primera parte del ciclo aumenta poco a poco la temperatura, y se reduce lentamente la velocidad de alimentación hasta que la temperatura llega a 375-400°C. Entonces se suspende la alimentación y se continúa con el calentamiento con fuego muy bien graduado, hasta que la temperatura de la carga llega a 500-510°C. Llegando a este punto se tapa la marmita, se apaga el fuego y se cierran las puertas del tiro del horno. Con esto, baja gradualmente la temperatura de la carga hasta unos 400°C; en ese periodo se asientan en el fondo las impurezas. Se quita entonces la cubierta y el contenido se envasa inmediatamente en bidones de 700 libras o se traslada al depósito de una máquina de formación de escamas, y después se envasan las escamas en bidones de 400 libras. Inmediatamente antes de comenzar el envase se hace el “matizado” del contenido de la marmita. Un buen operario sabe distinguir las impurezas y evalúa la concentración de ellas en el líquido por el color que tiene éste en una paleta, y conforme a esta indicación agrega azufre en pequeña cantidad, o algún oxidante como el nitrato de sodio en muy pequeña cantidad, poco antes que termine el asentamiento. De este modo se obtiene un producto más blanco y más puro.
La sosa cáustica en escamas se prepara directamente con el producto fundido, para lo cual se le congela echándolo en chorro en un cilindro giratorio de hierro colado, que se enfría por medio de agua; después se desmenuza y se criba sobre los bidones de acero, que tienen capacidad para 400 libras. Una pequeña parte del producto se envasa en bidones más pequeños.
La sosa cáustica pulverizada se prepara moliendo el producto sólido o en escamas, y después se tamiza y se envasa en cilindros de acero. La mayor parte de la sosa pulverizada se aplica a usos domésticos y de granja.” [6] 2.2.3.5 Proceso de producción de sosa caustica por electrólisis. “ La sal se disuelve primero en el tanque de disolución. La salmuera saturada obtenida se envía a un tanque de purificación 18
para eliminar las impurezas, y una torre de resina de quelato de purificación antes de introducirlo en una célula electrolítica. Industrial del agua también es purificada antes de entrar en la célula.
La cámara del ánodo de la celda electrolítica se llena con la salmuera, y la cámara del cátodo con agua pura (sosa cáustica diluida). Aplicación de corriente directa a la celda produce cloro gas en el ánodo, y soda cáustica, además de hidrógeno en el cátodo. Este último va a la separación para producir una solución de sosa cáustica con una concentración de alrededor del 30%.
El cloro se lava y se enfría para eliminar la sal, y se deshidrata antes de ser entregado como es, licuado. La sosa cáustica se concentra aún más en un vaporizador para una concentración de alrededor del 50% para la entrega. El hidrógeno se lava y se enfría, como el cloro, antes de ser enviados.
Las formas anhidras de sosa cáustica se obtienen a través de una mayor concentración de 50% de sosa cáustica, de la que ha sido toda el agua evaporada, se deja enfriar y solidificar. La sosa cáustica en escamas se hace pasar por sosa cáustica fundida sobre rodillos de descamación enfriados para formar gránulos de espesor uniforme. Los gránulos se pueden moler y se tamiza en varios productos cristalinos con un tamaño de partícula controlado. El fabricado de perlas de sosa cáustica implica alimentar de licor fundido en una torre de granulación bajo condiciones de operación cuidadosamente controladas, produciendo una cuenta esférica perfecta.” [7]
19
Figura 5. Proceso de producción de sosa cáustica por electrólisis
20
2.2.3.6 Usos y aplicaciones 2.2.3.6.1 Lícitos y principales aplicaciones Procesos de Elaboración de Celulosa y Papel -
Caustificante en la producción de celulosa y papel
-
Blanqueo de celulosa
-
Extracción de lignina durante las secuencias de blanqueado de la pasta de papel Kraft.
-
La soda cáustica se consume en la producción del rayón, celofán y otros productos de celulosa.
Procesos de Elaboración de Artículos de Limpieza -
Materia prima para la fabricación de jabones
-
Materia prima para la fabricación de detergentes tanto sintéticos como alcalinos para uso doméstico y no doméstico.
-
Preparacion de soluciones desinfectantes y lavadoras
-
El mercado de productos de limpieza incluye una gran cantidad de usos de soda cáustica, ya sea como reactivo para producir los compuestos químicos que se emplean en estas aplicaciones, como las sales de sodio de ácidos sulfónicos orgánicos.
-
Limpiador de tuberías y limpiador de hornos.
Procesos de Tratamiento de Aguas -
Ajuste de pH en el tratamiento de aguas residuales, industriales y potables.
-
Regeneración de resinas de intercambio iónico
-
Neutralización de ácidos residuales y usos similares
Procesos Metalúrgicos y Petróleos -
Obtención de zinc y aluminio
-
Refinación del petróleo
-
Obtención de alúmina de la bauxita, en donde se disuelve la alúmina para poder separar las impurezas insolubles
-
La industria del petróleo y gas natural usa la soda cáustica en varias aplicaciones para la producción (y la exploración) y en la elaboración de productos. Es un componente importante en la mayoría de los lodos de inyección y se pude usar en la inyección alcalina de los campos petrolíferos para aumentar la recuperación del petróleo.
21
Procesos Químicos -
Obtención de Hipoclorito de sodio
-
Obtención de yodo
-
Elaboración de sulfatos, sulfitos y fosfatos de uso industrial
-
Elaboración de hidróxidos metálicos
Otras aplicaciones -
Fotograbado
-
Colorantes y remoción de pintura
-
Fabricación de explosivos
-
Industria farmacéutica
-
Plásticos y vidrios
-
Acondicionamiento de superficies metálicas, desengrasado y decapado industrial
-
Proceso de extracción de oro vía lixiviación
-
Lavado cáustico de gases residuales, catálisis
-
La soda cáustica se usa para mercerizar y lavar las telas y fibras de algodón.
-
La soda cáustica se usa en varios tipos de elaboración de alimentos. Un ejemplo es en la remoción de la piel de las papas, los tomates y otras frutas. También se usa en la elaboración de grasa y aceites comestibles.
-
En la disolución de telas para la recuperación de caucho
-
En la preparación de supositorios de glicerina.” [8]
2.2.3.6.2 Ilícitos “El hidróxido sódico se ha encontrado en laboratorios de elaboración clandestina de la cocaína. En esa elaboración hace falta un material alcalino. Entre los que se usan para este fin. Material alcalino que se puede emplear en la producción de pasta de coca, cocaína básica y otras sustancias. Cocaína base, se trata de la cocaína purificada resultante de tratar el clorhidrato de cocaína con una solución básica (amoniaco, hidróxido de sodio o bicarbonato sódico) y disolverlo posteriormente en éter o agua Elaboración clandestina de anfetamina y metanfetamina (estimulantes), donde se utilizan para el proceso de purificación y conversión sustancias alcalinas (por ejemplo, hidróxido sódico, carbonato sódico, etc.) y el ácido correspondiente.” [9]
22
2.2.3.7 Presentación comercial
Figura 6. Formas de sosa cáustica
“La sosa cáustica anhidra (NaOH al 99%) se comercializa en cuatro formas; sólidos granulados, escamas, hojuelas y piezas sólidas de fundición. Estas formas tienen la misma composición química y difieren sólo en el tamaño de partícula y forma.
Diversas presentaciones de los envases: 1kg, 25 kg, 50 kg de peso neto, siendo la más común en sacos de 25 kg. Se empaca en sacos o bolsas de capas múltiples con plásticos como el polietileno de baja densidad, apilados sobre pallets.
La sosa cáustica líquida está disponible como una solución al 50% en cuatro grados: diafragma, rayón, la membrana y diafragma purificado. Para ser técnicamente correcto, se debería llamar sosa cáustica fundida pero puesto que se ha utilizado históricamente, el término servirá para describir las soluciones de sosa cáustica.” [10]
23
Figura 7. Hidróxido de Sodio en perlas (Fábrica Procesos y Colores, Tambillo)
Figura 8. Hidróxido de Sodio en escamas (Transmerquim S.A., Sangolquí)
24
2.2.4 Hidróxido de potasio sólido
Figura 9. Lentejas de Hidróxido de Potasio
2.2.4.1 Descripción. “Es un compuesto químico inorgánico de fórmula KOH, tanto él como el hidróxido de sodio (NaOH), son bases fuertes de uso común. La Potasa Cáustica es un sólido delicuescente e inodoro en forma de gránulos, se comercializa en forma de fragmentos, terrones, barras, lentejas o escamas, sin olor, de color blanco-amarillo claro; de propiedades similares a la soda cáustica, reacciona fuertemente con ácidos y es corrosivo en humedad con metales como el zinc, aluminio, plomo formando gases combustibles y explosivos, al contacto con el agua genera calor.
El hidróxido potásico forma hidratos con 1,2 y 4 moléculas de agua; la temperatura de transición del tetrahidrato (KOH.4H2O) al dihidrato (KOH.2H2O) es de -33°C, y la del dihidrato (KOH.2H2O) al monohidrato (KOH.1H2O) es de 32.5°C. Estos dos hidratos pueden obtenerse por evaporación de soluciones de potasa caustica; el dihidrato se separa de las soluciones que contienen menos de 58% de KOH, el monohidrato de soluciones de 58 a 85% y el hidróxido anhidro de soluciones más concentradas.” [11]
25
2.2.4.2 Propiedades Tabla 5. Propiedades Físicas del Hidróxido de Potasio PROPIEDAD
VALOR
Fórmula química
KOH
Peso Molecular
56,11g/mol
Estado Físico
Sólido blanco-amarillo claro, delicuescente
Punto de fusión
400°C
Punto de ebullición
1320 °C a 760 mmHg
Presión de Vapor (mmHg) 0.13 kPa a 714°C, prácticamente cero a 20°C pH
0.01 mol/L, pH = 12
Fuente: LAGOS. Hidróxido de potasio [en línea] [Fecha de consulta: 30 de Octubre de 2011]. Disponible en: http://antiguo.itson.mx/laboratorios/HIDROXIDO%20DE%20POTASIO%20%28escamas%29.pdf
Tabla 6. Datos de Solubilidad del Hidróxido de Potasio en g KOH/100 g H2O Fórmula Fase sólida 0°C 10°C 20°C 30°C 50°C 100°C KOH
2 H2O
KOH
1 H2O
97
103
112
126 140
178
Fuente: PERRY, John. Manual del Ingeniero Químico. Tomo II. Mc Graw Hill. p.2 -123
2.2.4.3 Especificaciones Técnicas Tabla 7. Especificaciones Técnicas del Hidróxido de Potasio al 90% (Escamas o Perlas) Componente
Base
Especificación
Alcalinidad Total (como KOH)
% peso
90 min
Alcalinidad al Hidróxido (como KOH)
% peso
90 min
K2CO3
% peso
0.44 máx
KCl
ppm
150 máx
KClO3
ppm
3
K2SO4
ppm
10 máx
Fe
ppm
2
máx
Ni
ppm
4
máx
Hg
ppm
0.1 máx
máx
Fuente: BLOGS. Formas soda cáustica [en línea] [Fecha de consulta: 7 de Febrero de 2012]. Disponible en: http://www.oxychile.cl/opensite_20088.aspx
26
2.2.4.4 Obtención Industrial de Potasa cáustica por electrólisis. “El método de fabricación normal es la electrolisis de una solución de cloruro potásico en celdas de amalgama de mercurio o de diafragma, procedimiento muy semejante al empleado para la fabricación de sosa caustica (hidróxido de sodio).
La potasa cáustica se produce comercialmente por un proceso electrolítico, como se muestra en el siguiente diagrama de flujo. La salmuera, es preparada a partir de cloruro de potasio, se electroliza en ya sea una celda de mercurio o una membrana celular. Los co-productos son el cloro y el hidrógeno.
En el proceso de celdas de mercurio, una amalgama de potasio-mercurio se forma en la celda. La amalgama se envía al descomponedor donde se hace reaccionar con agua para formar líquido de KOH, hidrógeno y mercurio libre. El mercurio libre se devuelve a la celda electrolítica. La solución resultante de potasa cáustica o bien se lleva a inventario en los tanques de almacenamiento en forma de soluciones al 45% o 50%, o se concentra por evaporación al 90% de forma anhidro. El líquido se envía en camiones cisterna, vagones tanques, barcazas o barcos. Las formas anhidras son bloques, escamas y cristales.
En el proceso de membrana, una solución de aproximadamente de 30% se forma en los tanques. Esta solución se evapora, entonces es enviada a la que se concentra en un tanque de 45% o 50% mediante la eliminación de la cantidad apropiada de agua. La solución resultante de potasa cáustica es llevada a inventario en tanques de almacenamiento antes del embarque.” [12]
27
Figura 10. Proceso de producción de potasa cáustica por electrólisis
28
2.2.4.5 Usos y aplicaciones 2.2.4.5.1 Lícitos y principales aplicaciones Procesos Alimenticios -
Actúa en procesos alimenticios donde se requiere bajo sodio
-
Peladura del lavado o del producto químico de las frutas
-
Producción del color del caramelo
Procesos de Producción de Alginatos y derivados de Algas -
Actúa en procesos de fabricación de alginatos y derivados de algas con bajo sodio
Procesos de Elaboración de Papel -
Caustificante en la producción de papel
-
Agente antiespumoso usado en la fabricación del papel
Procesos de Elaboración de Artículos de Limpieza -
Materia prima para la fabricación de jabones especiales
-
Materia prima para la fabricación de agentes blanqueadores
-
Ampliamente utilizado como desengrasantes en la limpieza de alfombras
Procesos de Tratamiento de Aguas -
Ajuste de pH en el tratamiento de aguas residuales, industriales y potables.
-
Neutralización de ácidos residuales y usos similares
Procesos Metalúrgicos y Petróleos -
Refinación del petróleo
-
Fabricación de las resinas del polietileno
-
Como catalizador en reacciones de la producción del Biodiesel
Procesos Químicos -
Materia prima para la fabricación de fertilizantes líquidos para la agricultura.
-
Elaboración de ácido oxálico y sales potásicas.
-
El uso singular más importante es en la producción de carbonato de potasio, el cual se usa en la fabricación de vidrio y bicarbonato de potasio.
29
Otras aplicaciones -
Reactivo en química analítica, medicina (cáustico)
-
Para elaborar cerillos (fósforos), en grabados, en forma de álcali
-
Como electrolito en baterías alcalinas de almacenaje y algunas pilas de combustible, adsorbente de dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno.
-
Por su gran afinidad por el agua, el hidróxido potásico se utiliza a veces en los laboratorios como agente desecante.
-
Se emplea en la fabricación de perfumes, tintas de imprenta y colores seco.
-
Se emplea en el blanqueo de tejidos y mercerización del algodón, en galvanoplastia, fotograbado y litografía.” [13]
2.2.4.5.2 Ilícitos “El hidróxido potásico se ha encontrado en laboratorios de elaboración clandestina de cocaína. En esa elaboración hace falta un elemento alcalino, entre otros el hidróxido de potasio, es uno de ellos. Material alcalino que se puede emplear en la producción de pasta de coca, cocaína básica y otras sustancias fiscalizadas.” [14]
2.2.4.6 Presentación Comercial
Figura 11. Formas de potasa cáustica
30
“La potasa cáustica Anhidro (KOH al 90%) se la comercializa en tres formas; bloques, escamas y cristales. Estas formas tienen la misma composición química y difieren sólo en el tamaño de partícula y forma.
Envasadas en tambores que pueden ser de tamaño de 100, 400 y 450 libras. Cada una de las tres formas está disponible como orden especial de 2000 libras en sacos a granel. Además, las formas en escamas están disponibles comúnmente en sacos de 25 kg. Se empaca en sacos o bolsas de polipropileno, apilados sobre pallets.
La potasa cáustica líquida está disponible en dos concentraciones, de 45% y el 50% y en tres grados; la Comercial, Membrana e Industrial.” [15]
Figura 12. Hidróxido de Potasio en escamas (Transmerquim S.A., Sangolquí)
31
2.3 Humedad Relativa del Aire “Es la humedad que contiene una masa de aire, en relación con la máxima humedad absoluta que podría admitir sin producirse condensación, conservando las mismas condiciones de temperatura y presión atmosférica. Esta es la forma más habitual de expresar la humedad ambiental. Se expresa en tanto por ciento.
(1)
Donde: es la presión parcial de vapor de agua en la mezcla de aire; es la presión de saturación de vapor de agua a la temperatura en la mezcla de aire; y RH es la humedad relativa de la mezcla de aire que se está considerando.” [16]
2.4 Sólidos Solubles “El comportamiento de un sólido soluble es diferente a un insoluble. En este caso si la presión de vapor de agua en el aire es inferior a la tensión de vapor de la solución saturada del sólido, la solución saturada precipitará solido conforme se elimine el agua con la que está en contacto. En caso contrario si la presión parcial del agua en el aire es mayor que la tensión de vapor de la solución saturada del sólido, el sólido absorbe humedad del aire y se disuelve (delicuescente) formándose en primer lugar una solución saturada y como la tensión de vapor de esta solución es inferior a la del líquido puro, el equilibrio solo se alcanzará cuando esta sea igualada a la tensión de vapor de la solución.”
[17]
2.5 Sólidos Insolubles
Un sólido insoluble en presencia del líquido puede comportarse de dos maneras: como húmedo o como higroscópico.
2.5.1 Cuerpos Húmedos. “Para una temperatura determinada, la presión de vapor del agua contenida en el sólido húmedo aumenta con su humedad para todas las sustancias, hasta alcanzar el valor de la tensión de vapor del agua pura a la temperatura considerada.
32
Es aquel cuya presión de vapor del agua que acompaña al sólido es igual a la tensión de vapor del agua a la misma temperatura.
(2)
2.5.2 Cuerpos Higroscópicos. Se llama sólido higroscópico cuando la presión de vapor del agua que acompaña al sólido es menor que la tensión de vapor del agua a la misma temperatura.” [18]
2.6 Humedad del Sólido
Como conveniente referencia se van a resumir a continuación ciertos términos que se utilizan para describir el contenido de humedad de las sustancias.
2.6.1 Contenido de humedad, en base húmeda. Es la que expresa la humedad de un material como porcentaje del peso del sólido mojado, se define como:
(3)
Porcentaje de humedad, base húmeda. Puede expresarse así:
(4)
2.6.2 Contenido de humedad, en base seca. Es la masa de agua que acompaña a la masa del sólido seco. Se expresa como:
(5)
Porcentaje de humedad, base seca. Puede expresarse así:
(6)
33
2.6.3 Humedad de equilibrio X*. Cuando un sólido húmedo se pone en contacto, con aire de temperatura y humedad determinadas y constantes, se alcanzaran las condiciones de equilibrio entre el aire y el sólido húmedo. Se logran las condiciones de equilibrio cuando la presión parcial del agua que acompaña al sólido húmedo es igual a la presión de vapor del agua en el aire.
Si la humedad del sólido es mayor que la humedad de equilibrio, el sólido se seca; si es menor, el sólido capta agua hasta la humedad de equilibrio.” [19] 2.6.4 Humedad Libre F. “Es la diferencia de humedades entre la humedad del sólido y la humedad de equilibrio en condiciones dadas, por consiguiente es la humedad que puede perder un sólido después de un tiempo en contacto con aire, en condiciones dadas y constantes.
(7)
2.6.5 Humedad no ligada, desligada o agua desligada. Es la diferencia entre la humedad del sólido y la humedad ligada; o bien la humedad libre del sólido en contacto con aire saturado. Si el sólido tiene humedad desligada se comportará como húmedo.
2.6.6 Humedad ligada o agua ligada. Es el valor de la humedad de equilibrio del sólido en contacto con aire saturado; o bien la humedad mínima del sólido necesaria para que este deje de comportarse como higroscópico.” [20]
Gráfico 1. Tipos de humedad Fuente: TREYBAL, R. Operaciones de transferencia de masa. Segunda edición. McGraw-Hill. México.p. 729
34
2.7 Actividad de Agua 2.7.1 Generalidades. “El agua es un factor determinante en el estudio de estabilidad de productos secos. El agua juega un rol importante en las propiedades de un alimento (Bell & Labuza, 2000). El conocimiento de la relación físico-química entre el agua y los componentes del material posibilita el mejoramiento del proceso, almacenamiento y una mejor selección del empaque de los productos para mantener la textura, calidad y la estabilidad química deseada (Pawkit, 2001).
2.7.2 Definición de actividad de agua. La actividad de agua (
) es una medida del agua
líquida disponible (agua de diferentes naturalezas) para reacciones químicas en un producto y se define como la relación que existe entre la presión parcial de vapor de agua en el equilibrio de la muestra ( ) y la presión de vapor del agua pura en el equilibrio (
) a la misma temperatura.
El equilibrio entre un sólido húmedo y aire con cierto contenido en agua, se establece cuando la actividad del agua es igual a la humedad relativa del aire.
Si se considera una solución ideal, con solutos en muy reducida concentración, este término puede expresarse de la siguiente manera:
(8)
Donde:
35
Termodinámicamente, la fugacidad es una medida de la tendencia de un líquido a escaparse de una solución; en virtud de que el vapor de agua se comporta aproximadamente como un gas ideal, se puede emplear la presión de vapor en lugar de la fugacidad.
La actividad de agua es una propiedad intrínseca y se relaciona de manera no lineal con el contenido de humedad mediante las curvas o isotermas de sorción.” [21] 2.7.3 Relación entre la Actividad de Agua y Humedad Relativa. “La humedad relativa y la actividad de agua (
) están relacionadas. La actividad de agua se refiere a la disponibilidad de
agua en un producto y la humedad relativa se refiere a la disponibilidad de agua en la atmósfera alrededor del producto.” [22]
(9)
2.7.4 Relación entre la Actividad de Agua y la Temperatura. “La actividad de agua (
)
depende de la temperatura dado que ésta influye también sobre la presión de vapor de agua de las soluciones pero el efecto es pequeño con la mayoría de los solutos salvo que las soluciones sean saturadas. En tales casos, las cantidades de algunas sustancias de la solución, y, por tanto, la (
), pueden variar marcadamente con la temperatura.” [23]
2.8 Determinación de la Humedad Relativa de Equilibrio 2.8.1 Método Gravimétrico. “La determinación del contenido de humedad de un material puede efectuarse de diferentes maneras, y el único requisito consiste en una fuente de aire a humedad y temperatura constante. La determinación se puede realizar en condiciones estáticas o dinámicas. El sistema estático sencillo consiste en colocar el material (muestras) en desecadores al vacío de laboratorio que contengan soluciones salinas saturadas, que produzcan atmósferas de humedades relativas también conocidas (método isopiestico).
La muestra de cada desecador se pesa periódicamente hasta obtener un peso constante y el contenido de humedad de equilibrio en el método gravimétrico se calcula por diferencia de pesos.” [24]
36
Figura 13. Disposición del método
2.9 Isotermas De Sorción De Humedad 2.9.1 Generalidades. “Si un sólido higroscópico se pone en contacto con una atmósfera de humedad relativa y temperatura constantes, ganará (hidratación del sólido) o perderá (deshidratación del sólido) agua hasta alcanzar un determinado contenido de humedad que se denomina humedad de equilibrio. Para términos de esta investigación se definirá la isoterma de “sorción” o equilibrio de un material higroscópico como la representación gráfica del contenido de humedad de este material (X) en función de la actividad de agua, es decir, en función de la humedad relativa del aire que envuelve al material, cuando se ha alcanzado el equilibrio, a una temperatura constante.” [25]
2.9.2 Adsorción. “La adsorción consiste en la migración de algunas sustancias de la fase gaseosa o líquida hacia la superficie de un sustrato sólido, por ello se considera como un fenómeno superficial. La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama "adsorbato" y la fase o superficie donde queda acumulada la sustancia se llama "adsorbente". La adsorción comprende el contacto de sólidos con líquidos o gases y la transferencia de masa en la dirección fluido a sólido.” [26]
37
Figura 14. Esquema que ilustra la función del adsorbato y adsorbente
2.9.2.1 Adsorción física y química. Existen dos tipos de adsorción:
a) Fisisorción, es el resultado de las fuerzas intermoleculares de atracción entre las moléculas del sólido y la sustancia adsorbida. Cuando las fuerzas atractivas intermoleculares entre un sólido y un gas son mayores que las existentes entre moléculas del gas mismo, el gas se condensará sobre la superficie del sólido, aunque su presión sea menor que la presión de vapor que corresponde a la temperatura predominante. Ocurre fundamentalmente a temperaturas bajas.” [27]
b) Quimisorción, es el resultado de la interacción química entre el sólido y la sustancia adsorbida. La fuerza de la unión química puede variar considerablemente y puede suceder que no se formen compuestos químicos en el sentido usual; pero, la fuerza de adhesión es generalmente mucho mayor que la observada en la adsorción física. El proceso frecuentemente es irreversible; Esta adsorción suele estar favorecida a una temperatura elevada.
La diferencia fundamental entre ambas es que en el caso de la fisisorción la especie adsorbida conserva su naturaleza química, mientras que durante la quimisorción la especie adsorbida sufre una transformación más o menos intensa para dar lugar a una especie distinta. La mayor parte de los fenómenos de adsorción son combinaciones de las dos formas de adsorción y de hecho, no es fácil distinguir entre adsorción física y química.” [28]
38
Tabla 8. Propiedades de la adsorción física y de la quimisorción ADSORCION FISICA
QUIMISORCION
Adsorbente
Todos los sólidos
Algunos sólidos
Adsorbato
Todos los gases por debajo de
Algunos gases
la temperatura crítica
químicamente reactivos
Temperaturas bajas
En general, temperaturas
Intervalo de temperatura
altas Baja ( -Ĥv)
Entalpía de adsorción Velocidad, energía
Elevada, del orden de una entalpía de reacción
Muy rápida, E muy pequeña
Activada, E elevada.
de activación (E) No activada, E pequeña Recubrimiento
Puede darse en multicapa
Monocapa
Reversibilidad
Extremadamente reversible
A menudo irreversible
Fuente: Departamento de Ingeniería Química y Metalurgia Facultad de Química, Cinética de las reacciones químicas, Ediciones de la Universidad de Barcelona, España, 2004, p. 160.
2.9.3 Absorción. “Es un proceso físico o químico en el cual la sustancia transferida pasa de una fase a otra (por ejemplo líquida), incorporándose al volumen de la segunda fase para formar una “disolución”. El término general de “sorción”, engloba ambos procesos.” [29] 2.9.4 Isotermas de sorción. “La capacidad de sorción está definida en base a las isotermas de sorción de humedad. Las isotermas de sorción son la representación gráfica del contenido de humedad presente en el material contra la actividad de agua en condiciones isotérmicas, donde el material está en equilibrio higroscópico con el ambiente en que se encuentra y no existe cambio en el peso de la muestra.
La isoterma de sorción representa también la cinética con la que un material absorbe humedad y se hidrata, y es importante conocerla ya que refleja el comportamiento de los deshidratados almacenados en atmósferas húmedas (higroscopicidad).
De manera semejante, la desorción equivale al proceso de deshidratación y refleja la forma como pierde agua o se deshidrata.” [30]
39
Gráfico 2. Isoterma de sorción
2.9.5 Tipos de isotermas de sorción de humedad. “Si se tiene componentes cristalinos solubles en agua que están presentes en los alimentos (por ejemplo, azúcares o sales), la isoterma que le corresponde es aquella que aparece como forma cóncava o tipo III. La mayoría de los otros alimentos que contienen mayor peso molecular, como resultado de más solutos es una isoterma sigmoide del tipo II. El tipo I es indicativo de un sólido poroso no dilatable, tal como agentes desecantes de silicato. Los tipos II y III están estrechamente relacionados a los tipos IV y V, excepto que la adsorción máxima se produce a una cierta presión, más baja que la presión de vapor de la muestra.” [31]
Figura 15. Tipos de isotermas de sorción propuestas por Brunauer (1940).
40
2.9.5.1 Isoterma Tipo I o de Langmuir. Es típico de agentes antiaglutinantes, éste tipo de ingrediente adsorbe agua en sitios específicos, pero la unión de enlaces es muy fuerte, por lo tanto disminuye la actividad de agua drásticamente. Cuando todos los sitios en los cuales el agua se puede unir están ocupados, cualquier incremento de la humedad causa un incremento grande en la actividad de agua.
La isoterma de Langmuir se usa mucho en casos de quimisorción o de adsorción de gases en sólidos no porosos. Es característico de procesos en los que se produce el llenado de los microporos. Es el caso típico de los carbones activos.
2.9.5.2 Isoterma Tipo II. La mayoría de los materiales siguen la forma sigmoidea, característica de éste tipo de isoterma. La curva resultante es causada por los efectos capilares e interacciones agua – superficie. Este tipo de isoterma se puede ajustar a la ecuación llamada BET, desarrollada por Brunauer, Emmett y Teller. . Un ejemplo típico de este grupo lo constituyen los grafitos no porosos
2.9.5.3 Isoterma Tipo III o de Flory Huggins. Muestra la forma de sorción en sustancias puras y cristalinas. Muestra una muy pequeña ganancia de humedad hasta que la actividad de agua llega a 0.7 – 0.8 en donde la humedad sube en gran medida. A bajas aw el efecto dieléctrico del agua no es muy fuerte para romper las moléculas del material, pero a altas aw se produce una disociación de las moléculas del material y más agua penetra en los cristales.
2.9.5.4 Isoterma Tipo IV. En este caso el comportamiento inicial es semejante al de la isoterma tipo II, pero a presiones medias comienza la condensación capilar en mesoporos. A partir de la rama de desorción de estas isotermas se puede determinar la distribución de tamaños de los poros. Las sílices y alúminas son ejemplos representativos
2.9.5.5 Isoterma Tipo V. En este caso el comportamiento inicial consiste en formar una multicapa hasta alcanzar un "espesor de multicapa" máximo. Este comportamiento se justifica postulando un adsorbente rugoso, como en el caso IV, y un adsorbato que interactúa débilmente con el adsorbente.
Cuando la isoterma no es lineal, hay otras aproximaciones para describir la distribución entre el suelo y la disolución. Es una variación del Tipo II en el rango de actividades de agua bajas, presenta baja interacción adsorbente-adsorbato, pero se diferencia de la anterior en el segmento inicial de la curva
41
2.9.5.6 Isoterma Tipo VI. Es un tipo particular de isotermas en forma de escalones derivada de la adsorción de agua a nivel de monocapa, se presenta para adsorbentes con superficies muy uniformes y homogéneas.” [32]
2.10 Modelos Matemáticos para interpretar las Isotermas de Sorción de Humedad
Se han propuesto diferentes modelos matemáticos que permiten, además de reproducir en mayor o menor grado de aproximación la relación
, calcular los valores de algunos
parámetros que nos dan información sobre las condiciones de equilibrio durante el secado. Ninguno de los modelos matemáticos han resultado ser modelos adecuados para todo el intervalo de actividades de agua y para diferentes tipos de materiales.
Por esto, no existe un único modelo matemático para expresar la relación
,
comportando que en la interpretación de los datos experimentales se utilicen diferentes modelos, siendo seleccionado aquel que permite conseguir el mejor ajuste.
La mayor ventaja de utilizar modelos matemáticos para predecir una isoterma de sorción de humedad, se basa en el uso de pocos datos experimentales para predecir una isoterma válida. Además, mediante interpolación o extrapolación se puede obtener fácilmente los puntos de los extremos de baja y de alta
, extremos en los cuales puede ser difícil la determinación
experimental. 2.10.1 Modelo de Brunauer-Emmett-Teller (BET). “La ecuación de sorción de Brunauer, Emmett y Teller (BET) representa una base en la interpretación de isotermas multicapas de sorción y ha sido aplicada en adsorción de gases y vapores en superficies y sólidos porosos, como también en absorción de vapor, especialmente de agua, por polímeros y otros materiales homogéneos.” [33] “Las formas linealizadas de las ecuaciones de isotermas, estiman el rango de aplicabilidad para los tramos que realmente tienen comportamiento lineal, los gráficos de BET, resultan lineales solamente en el rango de actividad acuosa de: 0,05<
[
P ≠ 0] b) Alcalinidad de hidróxido (OH-), está presente cuando la alcalinidad a la fenolftaleína es mayor de la mitad de la alcalinidad total. [P > ½ T] c) Alcalinidad de bicarbonato (HCO3-), cuando la alcalinidad a la fenolftaleína es menor de la mitad de la alcalinidad total. [P < ½ T]
Estas relaciones pueden ser calculadas utilizando el siguiente esquema: Dado que:
P = alcalinidad de fenolftaleína T = alcalinidad total
1. Seleccione el valor más pequeño entre (P) y (T - P). Entonces la alcalinidad de carbonato (CO32-) será igual a dos veces el valor más pequeño. 2. Cuando el valor más pequeño es P, el balance (T - 2P) es bicarbonato. 3. Cuando el valor más pequeño es (T - P), el balance (2P - T) es hidróxido.” [43]
Todos los resultados se expresan como CaCO3 (mg/L). La conversión matemática de los resultados se ilustra en la siguiente tabla.
Tabla 9. Relaciones de Alcalinidad Resultado de la Alcalinidad de Titulación Hidróxido P=0 0 P½T 2P – T P=T T P = alcalinidad de fenolftaleína (mg/L) CaCO3 T = alcalinidad total (mg/L) CaCO3. * Tomado del APHA (1992).
Alcalinidad de Carbonato 0 2P 2P 2 (T - P) 0
Alcalinidad de Bicarbonato T T – 2P 0 0 0
Fuente: BLOGS. Alcalinidad [en línea] (Fecha de consulta: 29 de Febrero de 2012]. Disponible en: http://www.uprm.edu/biology/profs/massol/manual/p2-alcalinidad.pdf
48
2.12.3 Dióxido de carbono CO2. El dióxido o bióxido de carbono es un gas no inflamable, sin color, sin olor, que forma parte del aire. El aire contiene tan sólo 0.03% de dióxido de carbono, por lo que no puede ser considerada una fuente de obtención. Posee un ligero sabor ácido, cuya molécula consiste en un átomo de carbono unido a dos átomos de oxígeno (CO2). El dióxido de carbono se produce por diversos procesos: por combustión u oxidación de materiales que contienen carbono, como el carbón, la madera, el aceite o algunos alimentos; por la fermentación de azúcares, y por la descomposición de los carbonatos bajo la acción del calor o los ácidos. Tabla 10. Propiedades del CO2 PARÁMETRO
VALOR
Punto de sublimación
-78,5°C( a presión atmosférica)
Punto triple
-56,6°C
Temperatura crítica
31°C
Presión crítica
72,80 atm
Densidad del CO2 (gas)
1,976 g/l a 0°C y 1 atm
Densidad del CO2 (líquido)
0,914 kg/l a 0°C y 34,3 atm
Densidad del CO2 (sólido)
1,512 kg/l a -56,6°C °C
Solubilidad en agua
1,713 vol CO2/vol H2O a 0°C
Concentración en el aire
0.03 vol%
Fuente: KIRK, R. Enciclopedia de Tecnología Química. Primera edición. Hispanoamericana. Tomo III, México. p. 718
La mayor parte del CO2 en soluciones acuosas está en forma de gas disuelto. Una pequeña proporción del CO2 se convierte en H2CO3.” [44] CO2 + H2O
H2CO3
8,3 < pH < 11,8 H2CO3 + Na2CO3
49
2NaHCO3
3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
3.1 Proceso Experimental Seleccionado
3.1.1 Descripción del proceso experimental. Se procede a la toma de muestras de cada una de las sustancias seleccionadas para enviarlas a realizar una caracterización fisicoquímica. Con anticipación se construirán las cámaras herméticas para crear en su interior las humedades deseadas con las sales seleccionadas, el modelo de las cámaras se detalla en la Figura 18. Una vez listos los frascos se podrá preparar las soluciones salinas como lo indica la Tabla 11., a las temperaturas establecidas y se dejarán que se estabilicen. Una vez estabilizadas las soluciones salinas, con ayuda de un medidor de actividad de agua determinar la actividad de agua en cada cámara para proceder a ingresar los viales con las muestras sólidas de experimentación que se han pesado inicialmente.
Se tabulan los pesos iniciales de las muestras, el mismo que irá aumentando conforme estas vayan ganando humedad en el interior de la cámara hasta mantenerse constante. Una vez que se mantengan los pesos se tomarán los viales con las muestras, para enviarlos a otra caracterización fisicoquímica después de la experimentación.
Todos estos valores permitirán calcular la humedad de equilibrio del sólido y construir la isoterma de sorción de humedad del mismo.
50
3.1.2 Diagrama de Flujo del Proceso Experimental
Figura 16. Diagrama de flujo del procedimiento experimental
3.2 Sustancias y Reactivos
Hidróxido de sodio
NaOH
Hidróxido de potasio
KOH (s)
Carbonato de potasio
K2CO3 (s)
Yoduro de potasio
KI (s)
Cloruro de sodio
NaCl (s)
Cloruro de potasio
KCl (s)
Cloruro de bario
BaCl2 (s)
Agua destilada
H2O (l)
Sílica gel
SiO2.nH2O (s)
(s)
51
3.3 Materiales y Equipos
Cámara de cierre hermético
Estufa de temperatura regulable, marca Memmert.
(Ap = ± 0,5 °C)
Balanza analítica, marca Boeco Germany.
(Ap = ± 0,0001 g)
Probeta graduada de 50 ml
Medidor de actividad de agua AQUALAB modelo Pawkit
Baño térmico
Desecador
Pinzas
Viales
Porta viales
Agitador
Tapones de balón aforado de 10ml
(Ap = ± 0,1 ml)
3.4 Diseño Experimental
Para la determinación de la humedad de equilibrio y posterior construcción de las isotermas de sorción de humedad se plantea el siguiente diseño experimental.
Figura 17. Diseño Experimental 52
Donde:
3.5 Procedimiento
3.5.1 Determinación de las isotermas de sorción de humedad. Las isotermas de sorción de humedad para el hidróxido de sodio e hidróxido de potasio sólidos expuestos a tres temperaturas diferentes de 15°C, 25°C y 35°C, se determinan gravimétricamente; esto es por exposición de las muestras a humedades relativas controladas que van desde 0,04 a 0,9 en recipientes herméticos por diferentes sales que se presentan posteriormente en la Tabla 11, hasta llegar al equilibrio, a lo que se conoce como Humedad de Equilibrio. La experimentación se realiza para cinco réplicas en cada muestra.
3.5.1.1 Preparación inicial de las muestras. Las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio sólidos se toman directamente de las empresas: PROCESOS & COLORES y QUIMICA SUPERIOR UNICHEM S.A, respectivamente. Se tomó una cantidad de 2 kilogramos de cada sustancia que se encontraba siendo utilizada en los procesos productivos de cada empresa y se las colocó en frascos bien sellados. Se dispuso de las hojas de especificaciones de cada sustancia, ver Anexo A y B.
Una vez ya con las muestras, se determinó las condiciones iniciales a través de los ensayos realizados en el laboratorio del DPEC de la Facultad de Ingeniería Química de la UCE, bajo el método APHA 2320 B; como se puede apreciar en el Anexo C.
El procedimiento recomienda que la muestra deba ser secada hasta obtener una humedad cercana a cero. Pero tomando en cuenta la naturaleza química de los hidróxidos en estudio, se partió con muestras que tienen un contenido inicial de humedad. Las muestras deben ser homogéneas, donde un tamaño de muestra de 1-3g es adecuado.
53
3.5.1.2 Instalación del Equipo
a) Disposición de los frascos de cierre hermético
Se utilizaron envases de cristal de 1 litro de capacidad, de tapa hermética y con un acople en la parte superior de la tapa al que se incorporó una manguera de látex para hacer vacío de ser necesario. Se emplearon tapas de balón aforado de 10 ml para cerrar el extremo libre de la manguera de látex con el fin de mantener la humedad en las cámaras, también se usaron pinzas. En el interior de los frascos se colocaron porta viales plásticos con la finalidad de colocar sobre estos los viales de vidrio con la muestra y evitar el contacto directo con las soluciones salinas.
La figura 18, muestra la disposición de los frascos de cierre herméticos y los elementos que se dispusieron para la experimentación.
Figura 18. Disposición de frascos de cierre hermético
b) Tratamiento de los viales
Los viales de vidrio de capacidad de 12 ml, fueron lavados y enjuagados con agua destilada y secados a 110°C por un tiempo de 3 horas; posteriormente se colocaron en desecadores. 54
c) Preparación de las soluciones salinas
Se preparó las diferentes soluciones salinas saturadas con agua destilada en frascos (para crear diferentes humedades relativas) a una temperatura aproximadamente 10°C superior a la utilizada para el equilibrio.
Las soluciones de sal deben ser preparadas con agua destilada caliente, agregando continuamente la sal con agitación. La solución final se enfría y se deja reposar a la temperatura deseada en las condiciones herméticas. “Es importante mantener la solución en forma de suspensión durante todo el período de equilibrio. Los cristales de sal pueden estar presentes al principio del experimento, pero pueden disolverse cuando el agua de la muestra es condensada en la solución. Esto se puede superar mediante la adición de sales en la solución cuando la cámara se abre para el pesaje de la muestra. Puesto que sólo la
de la una solución saturada se conoce, es importante
que los cristales sin disolver de las sales se mantengan presentes durante y después del equilibrio, ya que este es el único indicador de saturación. La humedad relativa de la solución después de la saturación no cambiará de manera significativa.” [45]
Se pueden apreciar las actividades de agua de soluciones saturadas a diferentes temperaturas, en el Anexo D.
Para la preparación de las soluciones acuosas saturadas se tomó en cuenta la información proporcionada en el trabajo de grado de POAQUIZA, Delia. (2008), descrita en la Tabla 11.
Tabla 11.
Especificaciones de las soluciones salinas saturadas para las isotermas de
sorción de humedad a 25°C Sal
Masa, g
Agua
Observación
Hidróxido de sodio NaOH
100
50 ml
Carbonato de potasio K2CO3
100
47 ml
100
40 ml
Añadir la sal lentamente y agitar Añadir la sal lentamente y agitar Sobre agua añadir lentamente la sal y el resto de agua y sal hasta terminar. Mezclar con la varilla constantemente.
Yoduro de potasio KI
55
Tabla 11. (Continuación)
Cloruro de sodio NaCl
100
28 ml + 3 ml después de 24 horas
Sobre agua añadir lentamente la sal y el resto de agua y sal hasta terminar. Mezclar con la varilla constantemente. Sobre agua añadir lentamente la sal y el resto de agua y sal hasta terminar. Mezclar con la varilla constantemente. Sobre agua añadir lentamente la sal y el resto de agua y sal hasta terminar. Mezclar con la varilla constantemente.
Cloruro de potasio KCl
100
30 ml + 4 ml después de 24 horas
Clouro de bario BaCl2
100
23 ml
Fuente: POAQUIZA, Delia. Determinación de isotermas y calor de sorción de humedad de panela granulada producida por las organizaciones paneleras de Ingapi y Pacto. Quito, 2008. Trabajo de grado (Ingeniero
Agroindustrial).Escuela
Politécnica
Nacional.
Facultad
de
Ingeniería
Química
y
Agroindustrial. p. 42
Se prepararon con el rango de actividad de agua de 0,04 a 0,9; usando agua destilada y seis sales químicamente puras. Se tuvieron cuidados especiales en el manejo de algunas soluciones saturadas muy cáusticas (como la de hidróxido de sodio y cloruro de potasio).
Las soluciones se dejaron en los recipientes, de modo que cubran el fondo de los mismos. Se observó que los cristales no estén por encima de la capa líquida, la cual no debe ser de más de 1,5 a 2 milímetros de espesor. Los frascos se colocaron a la temperatura de 25°C por una semana, hasta lograr su estabilización.
56
Figura 19. Estabilización de soluciones salinas saturadas
d) Procedimiento para la determinación de la actividad de agua de las soluciones saturadas preparadas
Se tomaron alícuotas de las soluciones saturadas con la ayuda de una pipeta plástica desechable de 3 mililitros de capacidad. Se colocaron cubriendo un tercio de la capacidad de los porta muestras plásticos del equipo medidor de actividad de agua AQUALAB modelo Pawkit, disponible en el Departamento de Nutrición y Calidad del Centro Experimental Santa Catalina INIAP.
El equipo proporcionó lecturas que están dentro del rango teórico que deberían reflejar las soluciones salinas preparadas. El procedimiento se detalla en el Anexo E.
3.5.1.3 Tiempo de equilibrio. Cuando la concentración de vapor de agua en la parte superior del recipiente o de la cámara de aire es adecuada, la ganancia o pérdida de humedad de la muestra depende básicamente, de la resistencia interna al movimiento de moléculas de agua y de la transferencia de calor de la muestra.
La superficie del sobrenadante de la solución saturada y la superficie de la muestra debe tener una relación de 10:1. El volumen de la muestra con relación al recipiente o cámara que lo contiene debe ser de 1:20. Estas relaciones influyen en el tiempo de equilibrio. Ver cálculos en Anexo F. 57
Si la cantidad de la muestra comienza a acercarse el volumen total de aire, la presión de vapor de agua en el espacio no puede ser mantenido adecuadamente por la evaporación de la superficie de la solución salina saturada.
El tiempo requerido para alcanzar el equilibrio en una muestra frente a una actividad de agua moderada puede ser de 3 a 5 días.”
[46]
3.5.1.4 Determinación de la humedad relativa de equilibrio. Se empleó el método gravimétrico, por exposición de las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio sólidos, en recipientes herméticos de vidrio en presencia de soluciones salinas saturadas con un rango de actividad de agua o humedad relativa de 0,04 a 0,90. Se registró la masa individual del vial tarado (m1), y se pesaron muestras de 2 gramos (m2); cinco para cada frasco. En total se obtuvieron 30 muestras para el hidróxido de sodio y 30 muestras de hidróxido de potasio.
Con la ayuda de pinzas metálicas se dispuso en los frascos que contenían las soluciones salinas estables, las portas muestras plásticos con los viales y las muestras e inmediatamente se cerraron de forma hermética. Se ubicaron los recipientes en el interior del baño térmico, expuestos durante siete días a temperatura de 15±0,1°C.
Se pesó cada vial en intervalos de tres días para registrar el cambio de masa; para lo cual se extrajo con cuidado los viales del recipiente y se llevó al desecador para que se estabilice a la temperatura ambiental. Luego, de aproximadamente 20-30min de permanecer en el desecador se midió la masa de cada uno (m3). El procedimiento anteriormente descrito se repitió para las temperaturas de 25°C y 35°C. El rango de temperaturas y humedades relativas se tomó en cuenta las condiciones ambientales tanto para Quito y Guayaquil; en relación a datos proporcionados por el INHAMI en sus reportes. Ver Anexos G y H, respectivamente.
El cálculo de la humedad de equilibrio propuesta por BELL, L. & LABUZA, T. p.45, indica que para una muestra inicial wi que tiene un contenido inicial de humedad (% H2O), la ecuación para calcular la humedad de equilibrio es la siguiente:
(
)
(21)
58
Donde:
Dentro de la experimentación se tiene la siguiente expresión:
(22)
Donde:
3.5.2 Obtención del modelo matemático para las Isotermas de Sorción de Humedad. Los datos experimentales de las isotermas de sorción fueron ajustados con los modelos matemáticos teóricos de BET y GAB; el modelo propuesto por PELEG y el modelo empírico de D´ARCY and WATT.
Para cada modelo se determinó el valor de sus constantes, utilizándose la herramienta de análisis SOLVER de la hoja de cálculo Microsoft Excel 2010. La calidad del ajuste de los modelos propuestos se evaluó por medio del coeficiente (R2), el cual es el cuadrado del coeficiente de correlación lineal (r) y por el porcentaje de Error Relativo Medio (%ERM).
3.5.2.1 Ajuste de datos experimentales con el modelo de BET Brunauer-Emmett-Teller. La ecuación que corresponde al modelo, es la siguiente:
[
(23)
]
Donde:
59
3.5.2.2 Ajuste de datos experimentales con el modelo GAB. La ecuación que corresponde al modelo, es la siguiente:
(24)
Donde:
3.5.2.3 Ajuste de datos experimentales con el modelo PELEG. La ecuación que corresponde al modelo, es la siguiente:
(25)
Donde:
3.5.2.4 Ajuste con datos experimentales con el modelo D´ARCY and WATT. Las constantes de este modelo se obtuvieron a partir de la siguiente expresión matemática:
(26)
Donde:
60
3.5.2.5 Error Medio Relativo (%ERM)
∑
(
)
(27)
Donde:
3.5.3 Regiones de la Isoterma de Sorción de Humedad
3.5.3.1 Cálculo de la monocapa. Analíticamente con la ecuación de PELEG se puede calcular la actividad de agua correspondiente a la monocapa. La primera capa está constituida por el agua de la monocapa, el valor puede determinarse por la ecuación de la isoterma de BET, haciendo uso de la ecuación (23).
3.5.4 Análisis de formación de Hidratos. La hidratación paulatina del Hidróxido de Sodio genera seis diferentes hidratos:
Tabla 12. Hidratos para el Hidróxido de sodio Hidrato
Fórmula
% H2O de
% NaOH
cristalización (NaOH.1H2O),
31,03
68,97
(NaOH.2H2O)
47,36
52,64
(NaOH.3½ H2O)
61,16
38,84
Hidróxido de
(NaOH.4H2O)
64,28
35,72
sodio
(NaOH.5H2O)
69,23
30,77
(NaOH.7H2O)
75,90
24,10
El hidróxido potásico forma hidratos con 1, 2 y 4 moléculas de agua. 61
Tabla 13. Hidratos para el Hidróxido de potasio Hidrato
Fórmula
% H2O de
% KOH
cristalización (KOH.1H2O),
32,14
67,86
Hidróxido de
(KOH.2H2O)
39,13
60,87
potasio
(KOH.4H2O)
56,25
43,75
Se calculó el porcentaje en masa y las moles que constituyen el hidróxido de sodio y potasio, así como el agua sorbida en el equilibrio; una vez que se sometió la sustancia a condiciones de humedad relativa y temperatura controladas, esto ayudará a determinar la formación o no de hidratos.
3.5.5 Análisis de la formación de Carbonatos por el efecto del Dióxido de Carbono del Aire
2.5.5.1 Determinación teórica de la composición en carbonatos generada en las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio. Se calcularon las moles de dióxido de carbono gaseoso que pueden solubilizarse en el agua sorbida por las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio. Para ello se hizo uso de la ley de Henry, la cual enuncia que “la cantidad de gas disuelta en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial que ejerce ese gas sobre el líquido.” [47] [
]
Donde [
(28)
] es la concentración del gas en la fase acuosa,
es la presión parcial del gas y K
es la constante de la ley de Henry.
En el caso del dióxido de carbono CO2 gaseoso de la atmósfera se disuelve en el agua H2O y, además, reacciona químicamente con ésta:
CO2 (g) + H2O (l)
H2CO3 (aq)
La exposición de las muestras húmedas de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio en una atmósfera en presencia de CO2 gaseoso, lleva a la formación del carbonato de sodio y carbonato de potasio respectivamente.
2 NaOH (aq) + CO2 (g)
Na2CO3 (aq) + H2O
2 KOH (aq) + CO2 (g)
K2CO3 (aq) + H2O 62
La determinación teórica de la cantidad de carbonatos generados, se fundamenta en las relaciones estequiométricas basadas en las ecuaciones químicas descritas.
3.5.5.2 Determinación experimental de la composición en carbonatos generada en las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio. La determinación de la cantidad de carbonatos generados durante la experimentación se realizó a través del DPEC, mediante la valoración de una mezcla de álcali fuerte y carbonato; bajo el método APHA 2320 B. Ver Anexo J.
3.6 Datos Experimentales
3.6.1 Datos de composición química de las muestras iniciales de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio
Tabla 14. Composición química inicial Código
Sustancia
Muestra
% OH-
% CO3-2
%H2O
OE-11-10-05A-1
NaOH
Inicial
86,56
13,38
0,05
OE-11-10-05A-2
KOH
Inicial
79,04
13,39
7,55
3.6.2 Datos de actividad de agua de las soluciones salinas preparadas Tabla 15. Actividad de agua de soluciones salinas saturadas preparadas a 25°C Sal
aw
Hidróxido de sodio NaOH
0,04 ± 0,01
Carbonato de potasio K2CO3
0,44 ± 0,01
Yoduro de potasio KI
0,71 ± 0,01
Cloruro de sodio NaCl
0,76 ± 0,01
Cloruro de potasio KCl
0,85 ± 0,01
Clouro de bario BaCl2
0,89 ± 0,01
63
3.6.3 Datos para la determinación de la humedad de equilibrio Tabla 16. Datos experimentales registrados para el hidróxido de sodio a 15°C Actividad de agua, aw
N° de réplicas
Masa vial tarado m1(g)
Masa muestra inicial m2(g)
0,04
1 2 3 4
10,0946 9,8904 10,1603 9,9815
5
0,44
0,71
0,76
0,85
0,89
2,0839 2,0657 2,1085 2,0942
Masa vial + muestra (g) 12,1785 11,9561 12,2688 12,0757
Masa equilibrio + vial m3 (g) 12,2250 12,0276 12,3423 12,1498
10,1159
2,0021
12,1180
12,1941
1 2 3 4
10,1441 10,0671 9,9718 9,9239
2,1453 2,1510 2,0390 2,0167
12,2894 12,2180 12,0108 11,9406
12,6687 12,5368 12,3850 12,3188
5
9,9849
2,1173
12,1021
12,3423
1 2 3 4
10,0409 9,8842 9,9489 9,8655
2,0846 2,0669 2,0973 2,0927
12,1255 11,9511 12,0462 11,9582
12,9227 12,7091 12,8811 12,7758
5
9,9654
2,0251
11,9905
12,6295
1 2 3 4
9,8922 10,0323 9,9308 10,0804
2,1708 2,1933 2,1415 2,1436
12,0630 12,2257 12,0722 12,2240
12,8451 12,9904 12,8940 13,1350
5
10,0330
2,0203
12,0533
13,1160
1 2 3 4
9,8717 10,0001 10,0086 9,8288
2,0539 2,0282 2,0208 2,1054
11,9256 12,0283 12,0295 11,9342
12,9924 13,1248 13,0236 13,0228
5
9,8787
2,0853
11,9640
13,0330
1 2 3 4
9,8987 10,0214 9,9421 9,8897
2,1441 2,1701 1,9746 2,2849
12,0428 12,1915 11,9167 12,1746
13,1387 13,2731 13,2600 13,3398
5
9,9298
2,0399
11,9697
13,1594
64
Tabla 17. Datos experimentales registrados para el hidróxido de sodio a 25°C Actividad de agua aw
0,04
0,44
0,71
0,76
0,85
0,89
N° de réplicas
Masa vial tarado m1(g)
Masa muestra inicial m2(g) 2,089
Masa vial + muestra (g) 12,0095
Masa equilibrio + vial m3 (g) 12,1369
1
9,9205
2
10,041
2,1522
12,1932
12,3159
3
10,0345
2,1806
12,2151
12,3321
4
9,9477
2,092
12,0397
12,157
5
9,9571
2,1092
12,0663
12,1172
1
10,1606
1,9513
12,1119
13,3591
2
9,9926
2,2369
12,2295
13,4361
3
10,0816
2,0183
12,0999
13,3044
4
10,0951
2,0899
12,185
13,421
5
10,1911
2,1892
12,3803
13,1421
1
9,9726
2,0423
12,0149
13,8425
2
10,0998
2,0805
12,1803
14,0427
3
9,8699
2,0006
11,8705
13,6767
4
10,1534
2,0999
12,2533
14,1321
5
10,1131
2,0919
12,205
14,1119
1
9,9986
2,2538
12,2524
14,1675
2
10,1117
2,2958
12,4075
14,306
3
10,0283
2,075
12,1033
14,0909
4
10,0296
2,2909
12,3205
14,804
5
10,1196
1,9291
12,0487
14,1814
1
10,1639
2,1289
12,2928
14,8786
2
10,0702
2,1562
12,2264
14,6995
3
9,8902
2,1776
12,0678
14,5395
4
9,9758
2,2427
12,2185
14,8664
5
9,9851
2,1437
12,1288
14,8161
1
10,0551
2,3027
12,3578
15,3769
2
9,8086
2,2462
12,0548
15,0586
3
10,0419
2,2752
12,3171
15,2776
4
9,9673
2,2969
12,2642
15,14
5
9,8671
2,3116
12,1787
15,1143
65
Tabla 18. Datos experimentales registrados para el hidróxido de sodio a 35°C Actividad de agua aw
0,04
0,44
0,71
0,76
0,85
0,89
N° de réplicas
Masa vial Tarado m1(g)
Masa muestra inicial m2(g) 2,0330 2,0612 2,0722 2,0376
Masa vial + muestra (g) 12,7006 12,4497 12,8396 12,6748
Masa equilibrio + vial m3 (g) 12,8099 12,5702 12,9536 12,7843
1 2 3 4
10,6676 10,3885 10,7674 10,6372
5
10,3377
2,0671
12,4048
12,5843
1 2 3 4
9,791 10,0579 9,997 9,9982
2,1302 2,1929 2,1044 2,1012
11,9212 12,2508 12,1014 12,0994
13,1446 13,4495 13,3618 13,2697
5
9,9992
2,1413
12,1405
13,4697
1 2 3 4
10,5417 10,6405 10,5542 10,6376
2,0641 2,0917 2,0873 2,1349
12,6058 12,7322 12,6415 12,7725
14,5655 14,6812 14,635 14,628
5
10,5376
2,1641
12,7017
14,6828
1 2 3 4
9,9843 9,8791 9,8334 9,9725
2,1565 2,138 2,1873 2,1209
12,1408 12,0171 12,0207 12,0934
14,2817 14,1512 14,1792 14,2343
5
9,9825
2,0308
12,0133
14,1341
1 2 3 4
10,543 10,6073 10,4847 10,6032
2,0194 2,0652 2,1242 2,0284
12,5624 12,6725 12,6089 12,6316
15,0873 15,206 15,1483 15,1362
5
10,6065
2,0684
12,6749
15,1522
1 2 3 4
10,679 10,5474 10,5632 10,5611
2,1585 2,1432 2,1288 2,1146
12,8375 12,6906 12,692 12,6757
15,5693 15,5466 15,5934 15,5249
5
10,5111
2,1126
12,6237
15,5148
66
Tabla 19. Datos experimentales registrados para el hidróxido de potasio a 15°C Actividad de agua aw
0,04
0,44
0,71
0,76
0,85
0,89
N° de réplicas
Masa vial Tarado m1(g)
Masa muestra inicial m2(g) 2,2148 2,2598 2,2103 2,2861
Masa vial + muestra (g) 12,2843 12,1969 12,3050 12,3887
Masa equilibrio + vial m3 (g) 12,3180 12,2101 12,3332 12,3972
1* 2* 3* 4*
10,0695 9,9371 10,0947 10,1026
5*
10,0926
2,2651
12,3577
12,3711
1* 2* 3* 4*
9,9354 9,9576 9,9667 10,1500
2,0686 2,0701 2,1255 2,0292
12,004 12,0277 12,0922 12,1792
12,4271 12,4293 12,5236 12,6017
5*
10,0451
2,0191
12,0642
12,5911
1* 2* 3* 4*
10,0666 10,172 9,9611 9,8780
2,1160 2,2608 2,1537 2,1539
12,1826 12,4328 12,1148 12,0319
12,9436 13,2243 12,8618 12,6733
5*
9,8178
2,1539
11,9717
12,6131
1* 2* 3* 4*
10,0386 10,0581 10,1109 9,9635
2,2688 2,1849 2,3707 2,1685
12,3074 12,243 12,4816 12,1320
13,1428 13,0608 13,2870 12,9431
5*
9,9731
2,1781
12,1512
12,9141
1* 2* 3* 4*
10,1526 9,8134 10,0371 9,9843
2,1690 2,1225 2,0338 2,1154
12,3216 11,9359 12,0709 12,0997
13,3237 12,8999 13,0566 13,0447
5*
9,9813
2,1251
12,1064
13,1417
1* 2* 3* 4*
10,0062 9,9982 10,0993 9,7595
2,2411 2,0165 2,0093 2,051
12,2473 12,0147 12,1086 11,8105
13,2665 13,1092 13,1036 13,1001
5*
9,7795
2,1051
11,8846
12,9901
67
Tabla 20. Datos experimentales registrados para el hidróxido de potasio a 25°C Actividad
N° de
Masa vial
Masa muestra
Masa vial
Masa
de agua aw
réplicas
Tarado m1(g)
inicial m2(g)
+ muestra
equilibrio +
(g)
vial m3 (g)
0,04
0,44
0,71
0,76
0,85
0,89
1*
9,988
2,2524
12,2404
12,4025
2*
10,0773
2,3109
12,3882
12,5468
3*
9,8776
2,0926
11,9702
12,0690
4*
9,8979
2,0866
11,9845
12,1271
5*
9,8471
2,2561
12,1032
12,2161
1*
10,0487
2,2981
12,3468
12,8366
2*
10,0247
2,2977
12,3224
12,8466
3*
10,0348
2,2882
12,3230
12,8465
4*
10,0557
2,2304
12,2861
13,9717
5*
10,0151
2,2119
12,227
12,9107
1*
9,9579
2,0123
11,9702
13,2978
2*
9,9244
2,0112
11,9356
13,2992
3*
9,9817
2,0131
11,9948
13,2918
4*
9,9682
2,0183
11,9865
13,3101
5*
9,8996
2,0148
11,9144
13,2391
1*
9,9371
2,1731
12,1102
13,8514
2*
10,037
2,1218
12,1588
13,843
3*
9,9444
2,1527
12,0971
13,7463
4*
9,9762
2,1093
12,0855
13,7781
5*
9,9998
2,2989
12,2987
13,8798
1*
9,9796
2,2198
12,1994
14,5041
2*
10,0441
2,1637
12,2078
14,4487
3*
10,112
2,1714
12,2834
14,5519
4*
9,848
2,1707
12,0187
14,2831
5*
9,9841
2,2019
12,1860
14,4881
1*
10,1235
2,2148
12,3383
14,9107
2*
9,9633
2,1876
12,1509
14,686
3*
9,9627
2,2661
12,2288
14,9672
4*
9,8819
2,1921
12,0740
14,5417
5*
9,8992
2,1895
12,0887
14,6412
68
Tabla 21. Datos experimentales registrados para el hidróxido de potasio a 35°C Actividad de agua aw
N° de réplicas
Masa vial Tarado m1(g)
Masa muestra Inicial m2(g)
0,04
1* 2* 3* 4*
10,6374 10,5786 10,6949 10,3684
5*
0,44
0,71
0,76
0,85
0,89
2,0154 2,0284 2,0571 2,0267
Masa vial + muestra (g) 12,6528 12,6070 12,7520 12,3951
Masa equilibrio + vial m3 (g) 12,7893 12,7832 12,9350 12,5686
10,5681
2,0563
12,6244
12,7636
1* 2* 3* 4*
10,0433 10,1327 9,9636 9,9507
2,0886 2,0901 2,0573 2,0808
12,1319 12,2228 12,0209 12,0315
13,0542 13,2237 13,0371 13,1272
5*
9,9817
2,0418
12,0235
13,1271
1* 2* 3* 4*
10,3276 10,6221 10,4198 10,5253
2,0463 2,0003 2,0802 2,0042
12,3739 12,6224 12,5000 12,5295
14,0684 14,1408 14,1121 14,3996
5*
10,4257
2,0342
12,4599
14,2997
1* 2* 3* 4*
10,1027 9,9582 9,8135 10,1228
2,1967 2,0527 2,0889 2,0923
12,2994 12,0109 11,9024 12,2151
14,3095 13,9463 13,9020 14,2095
5*
10,1808
2,2121
12,3929
14,3995
1* 2* 3* 4*
10,7737 10,5939 10,0955 10,8546
2,0389 2,0465 2,0035 2,0038
12,8126 12,6404 12,099 12,8584
15,1116 14,9791 14,5014 14,9403
5*
10,4746
2,0041
12,4787
14,8403
1* 2* 3* 4*
10,6096 10,5859 10,5101 10,5213
2,0054 2,0052 2,0031 2,0142
12,615 12,5911 12,5132 12,5355
15,1956 15,2021 15,1433 15,0914
5*
10,5811
2,0351
12,6162
15,1904
69
3.6.4 Datos para analizar el efecto de CO2 en la formación de carbonatos en las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio
Tabla 22. Constantes de Henry (K) para CO2 Temperatura, °C
K, molCO2 Lagua-1atm-1
15
4,52*10-2
25
3,38*10-2
35
2,66*10-2
Fuente: ROMO Luis. Tratado de Fisicoquímica. Tomo I. p. 257
Tabla 23. Propiedades del agua líquida a diferentes temperaturas Propiedad
15°C
25°C
35°C
Densidad, g/L
999,099
997,045
994,032
Presión de vapor, atm
0,0168
0,0313
0,0555
Fuente: PERRY, John. Manual del ingeniero químico. Tomo II. Mc Graw Hill. pp. 3-57; 3-95
Tabla 24. Propiedades del aire Propiedad
Valor
Presión atmosférica Quito, atm*
0,7172
Fracción volumétrica CO2 en el aire
0,0003
*Datos provistos por el DPEC, promedio de mediciones efectuadas el día 07/10/2011 Fuente: FELDER, R. ROUSSEAU, R. Principios básicos de los procesos químicos. El Manual Moderno. p. 137
70
4. CÁLCULOS Y RESULTADOS
4.1 Cálculos
4.1.1 Isotermas de Sorción de Humedad 4.1.1.1 Cálculo de la humedad de equilibrio para las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio
(29)
Donde
Cálculo modelo para el hidróxido de sodio a 15°C y 0,05 %H2O Tabla 25. Datos para cálculo modelo de la humedad de equilibrio Actividad
N° de
Masa vial
Masa muestra
Masa vial
Masa
de agua
réplicas
tarado
inicial m2(g)
+ muestra
equilibrio +
(g)
vial m3 (g)
aw
0,04
m1(g) 1
10,0946
2,0839
12,1785
12,2250
2
9,8904
2,0657
11,9561
12,0276
3
10,1603
2,1085
12,2688
12,3423
4
9,9815
2,0942
12,0757
12,1498
5
10,1159
2,0021
12,1180
12,1941
71
(
)
Los resultados de humedad de equilibrio obtenidos experimentalmente para las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio son representados en la Tabla 26, los valores tabulados representan el promedio de las cinco determinaciones realizadas. Los datos para cada experimentación, se detallan en el Anexo K.
Tabla 26. Resultados Humedad de equilibrio experimental para las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio, en el rango de actividad de agua 0,04 a 0,89; a diferentes temperaturas. Humedad de equilibrio (%) T, °C
aw Hidróxido de sodio
Hidróxido de potasio
(fracción) 0,04 0,44 0,71 0,76 0,85 0,89
3,3595 16,2541 37,1435 40,9506 51,7140 55,7449
9,1158 31,3398 43,9204 47,2605 58,6885 65,4368
25
0,04 0,44 0,71 0,76 0,85 0,89
5,0940 54,3787 90,0857 96,5895 118,7364 129,5557
14,8004 45,7105 79,4703 91,4999 120,8369 134,0977
35
0,04 0,44 0,71 0,76 0,85 0,89
6,2138 58,0373 92,5207 100,7391 122,2202 133,6667
16,7619 61,8633 99,0362 109,3304 131,2109 147,4153
15
A continuación se presentan los gráficos que representan la relación entre la actividad de agua o humedad relativa, en función de la humedad de equilibrio.
72
aw = f(%Heq.) Humedad de Equilibrio (%)
160,0 140,0 Isoterma a 15°C
120,0
Isoterma a 25°C
100,0
Isoterma a 35°C
80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Actividad de agua
Gráfico 4. Isotermas de sorción de humedad experimentales para el hidróxido de sodio a varias temperaturas
aw = f(%Heq.) Humedad de equilibrio (%)
160,0 140,0
Isoterma a 15°C
120,0
Isoterma a 25°C
100,0
Isoterma a 35°C
80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico 2. Isotermas de sorción de humedad experimentales para el hidróxido de potasio a varias temperaturas
73
4.1.1.2 Modelación matemática de las Isotermas de Sorción de Humedad. Con base a los resultados de humedad de equilibrio y actividad de agua reportados en la Tabla 26, se calculó los datos ajustados de humedad relativa de equilibrio, empleando los modelos matemáticos teóricos de BET y GAB; el modelo propuesto por PELEG y el modelo empírico generalizado de D´ARCY and WATT (GDW), modelos que se usaron referidos a trabajos anteriores.
Para cada modelo se determinó el valor de las constantes, utilizándose la herramienta de análisis SOLVER de la hoja de cálculo Microsoft Excel 2010.
Los cuatro modelos mencionados anteriormente se acoplaron a los datos experimentales y a
Humedad de equilibrio (%)
continuación se muestran gráficamente.
75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
Datos Experimentales Modelo de "GAB" Modelo de "BET" Modelo de "PELEG" Modelo de "D´ARCY and WATT"
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico 6. Ajuste de los cuatro modelos matemáticos para las isotermas de sorción de humedad del hidróxido de sodio a 15°C
74
Humedad de equilibrio (%)
170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Datos Experimentales Modelo de "GAB" Modelo de "BET" Modelo de "PELEG" Modelo de "D´ARCY and WATT"
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico 7. Ajuste de los cuatro modelos matemáticos para las isotermas de sorción de
Humedad de equilibrio (%)
humedad del hidróxido de sodio a 25°C
150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Datos Experimentales Modelo de "GAB" Modelo de "BET" Modelo de "PELEG" Modelo de "D´ARCY and WATT"
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico 8. Ajuste de los cuatro modelos matemáticos para las isotermas de sorción de humedad del hidróxido de sodio a 35°C 75
70 Datos Experimentales
Humedad de equilibrio (%)
60
Modelo de "GAB" Modelo de "BET"
50
Modelo de "PELEG" 40
Modelo de "D´ARCY and WATT"
30 20 10 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico 9. Ajuste de los cuatro modelos matemáticos para las isotermas de sorción de humedad del hidróxido de potasio a 15°C
180 Datos Experimentales
160
Modelo de "GAB"
Humedad de equilibrio (%)
140
Modelo de "BET"
120
Modelo de "PELEG"
100
Modelo de "D´ARCY and WATT"
80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico 10. Ajuste de los cuatro modelos matemáticos para las isotermas de sorción de humedad del hidróxido de potasio a 25°C 76
160
Humedad de equilibrio (%)
Datos Experimentales 140
Modelo de "GAB"
120
Modelo de "BET" Modelo de "PELEG"
100
Modelo de "D´ARCY and WATT"
80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico 11. Ajuste de los cuatro modelos matemáticos para las isotermas de sorción de humedad del hidróxido de sodio a 35°C
Al comparar los modelos de manera gráfica se deduce que el modelo de BET se ajusta a los primeros puntos de la isoterma de sorción de las bases estudiadas, es decir para actividades de agua de 0 hasta 0,04. Para actividades de agua superiores, el modelo ya no se ajusta a los datos experimentales.
El modelo de GAB presenta un ajuste en los primeros puntos de la isoterma de sorción, para actividades de agua de 0,04 a 0,44 y para el último punto experimental; para 25 y 35°C tanto para el NaOH y KOH se presenta un buen ajuste en la mayoría de actividades de agua.
El modelo propuesto por PELEG se acopla satisfactoriamente a los datos experimentales tanto para el NaOH y KOH. Para las tres temperaturas de estudio (15°C, 25°C y 35°C), éste modelo cubre todas las actividades de agua de 0,04 a 0,89.
El modelo GDW presenta un ajuste medio para el NaOH en casi todo el rango de actividad de agua, pero para el KOH el ajuste de los puntos experimentales se determina casi en los últimos puntos de actividad de agua, de 0,44 a 0,89.
Las isotermas de sorción de humedad para cada modelo, se pueden apreciar en el Anexo L.
77
A continuación se presenta el resultado de los parámetros de ajuste obtenidos a partir de los modelos matemáticos utilizados.
Tabla 27. Resultados Parámetros de ajuste del modelo de BET para la predicción de las isotermas de sorción del hidróxido de sodio a 15°C, 25°C y 35°C Modelo
T, °C
BET
Constantes m
C
%ERM
R2
15
7,8387
16,7769
4,0531
0,8774
25
17,5855
9,2448
8,1348
0,8458
35
14,8157
16,1760
12,4279
0,8392
Tabla 28. Resultados Parámetros de ajuste del modelo de GAB para la predicción de las isotermas de sorción del hidróxido de sodio a 15°C, 25°C y 35°C Modelos
GAB
T, °C
Constantes m
C
K
%ERM
R2
15
10,9999
10,5594
0,9220
1,0106
0,9617
25
72,5463
2,8877
0,6206
0,0556
0,9982
35
64,5036
3,8826
0,6494
0,0825
0,9986
Tabla 29. Resultados Parámetros de ajuste del modelo de PELEG para la predicción de las isotermas de sorción del hidróxido de sodio a 15°C, 25°C y 35°C Modelo
PELEG
T, °C
Constantes K1
n1
K2
n2
%ERM
R2
15
65,9367
1,9942
3,4900
0,0219
0,0080
0,9996
25
62,6012
9,5415
122,2508
0,9873
0,0053
0,9997
35
70,6712
9,7963
123,8114
0,9295
0,0026
0,9999
78
Tabla 30. Resultados Parámetros de ajuste del modelo de GDW para la predicción de las isotermas de sorción del hidróxido de sodio a 15°C, 25°C y 35°C Modelo T, °C
Constantes L
DAW
C
K´
L´
%ERM
R2
1,0000
26,2203
12,6918
5,7085
0,9878
K
15
0,8653 1,0000
25
1,0000 1,0000 112,8082
14,0827
1,0000
0,8029
0,9814
35
0,9395 0,8114
154,6062
9,1458
0,0032
0,9998
24,9141
Tabla 31. Resultados Parámetros de ajuste del modelo de BET para la predicción de las isotermas de sorción del hidróxido de potasio a 15°C, 25°C y 35°C Modelo T, °C
Constantes m
BET
C
R2
%ERM
15
7,1981
1,3373E+19 12,2551 0,8456
25
18,1255 4,7048E+08
35
16,0914 7,1586E+16 11,0506 0,8450
4,8274
0,9094
Tabla 32. Resultados Parámetros de ajuste del modelo de GAB para la predicción de las isotermas de sorción del hidróxido de potasio a 15°C, 25°C y 35°C Modelo
GAB
T, °C
Constantes m
C
K
%ERM
R2
15
21,1831
23,3434
0,7448
0,1867
0,9959
25
29,7059
25,1568
0,8827
0,0470
0,9973
35
44,8832
17,4612
0,78520
0,0165
0,9996
Tabla 33. Resultados Parámetros de ajuste del modelo de PELEG para la predicción de las isotermas de sorción del hidróxido de potasio a 15°C, 25°C y 35°C Modelo
PELEG
T, °C
Constantes K1
n1
K2
n2
%ERM
R2
15
51,8205
7,9440
47,6753
0,5140
0,0041
0,9998
25
129,8254
4,6116
61,3222
0,4416
0,0073
0,9996
35
95,1445
4,1796
90,3403
0,5234
0,0141
0,9993
79
Tabla 34. Resultados Parámetros de ajuste del modelo de GDW para la predicción de las isotermas de sorción del hidróxido de potasio a 15°C, 25°C y 35°C Modelo T, °C
Constantes K´
L´
%ERM
R2
15 0,9739 1,0000 1,0000
98,6729
1,0000
6,3238
0,9480
25 0,7390 1,0000 1,0000
63,2911
53,8232
8,8772
0,9885
35 1,0000 1,0000 1,0000 197,9677
6,5879
4,7180
0,9939
L
DAW
K
C
En las Tablas 27 a 34, se representan los parámetros estimados (m, C), para la ecuación de BET por regresión lineal y para las ecuaciones de GAB (m, C, K), PELEG (K 1, K2, n1, n2) y GDW (L, k, C, k´, L´) por regresión no lineal, obtenidos del ajuste de las isotermas de sorción de humedad de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio a temperaturas de 15°C, 25°C y 35°C. También se muestra para cada modelo, el porcentaje del error relativo medio (%ERM) y el coeficiente R2, el cual es el cuadrado del coeficiente de correlación (r).
Analizando los datos contenidos en las tablas se observa que, la ecuación propuesta por BET presenta valores de R2 en un rango de 0,8392 a 0,8774; 0,8450 a 0,9094 y valores de ERM de 4,0531% a 12,4279%; 4,8274% a 12,2551% para el NaOH y KOH respectivamente, por tanto se presenta un ajuste de datos experimentales poco satisfactorio. Para el modelo de GAB presenta valores de R2 que van desde 0,9617 a 0,9986; 0,9959 a 0,9996 y un ERM de 0,0556% a 1,0106%; 0,0165% a 0,1867% para el NaOH y KOH respectivamente. Los valores de R2 presentan un ajuste medio pero los valores del error relativo medio son muy bajos, no siendo el mejor ajuste de datos. El modelo propuesto por PELEG determina valores de R2 que están entre 0,9996 a 0,9999; 0,9993 a 0,9998 y resultados de ERM de 0,0026% a 0,0080%; 0,0041% a 0,0141% para el NaOH y KOH respectivamente. El modelo de GDW presenta valores de R2 que están en el rango de 0,9878 a 0,9998; 0,9480 a 0,9939 y valores de ERM de 0,0032% a 5,7085%; 4,7180% a 6,3238% para el NaOH y KOH respectivamente. Finalmente la ecuación propuesta por PELEG presenta los valores más altos del coeficiente R2 y los valores más bajos de ERM, para todas las temperaturas estudiadas; siendo por lo tanto, el mejor modelo de ajuste de los datos experimentales y para la predicción de otros. 80
El parámetro m conocido como monocapa, el cual representa a la concentración de moléculas de agua en los primeros sitios activos de la superficie (Furmaniak, et al, 2007) lo encontramos en los modelos de GAB y BET. Según el modelo de BET tiene valores similares y para ambos modelos el comportamiento tanto para el NaOH y KOH; este tiende a aumentar con el incremento de la temperatura lo cual puede deberse a la mayor disponibilidad de los sitios activos (o enlaces de hidrógeno) presenten en las bases estudiadas, por tanto a mayores contenidos de humedad (aw > 0,6) el sistema se comporta de hecho como una solución acuosa.
La constante cinética C que igual se encuentran en los modelos de GAB y BET, de las dos muestras tiende a disminuir con el aumento de la temperatura, interpretándose como que el proceso de adsorción llegó a su límite y que las moléculas de agua sorbida están disponibles para actuar como disolvente o reactivo.
La constante K que describe la sorción en multicapas o el agua absorbida químicamente del modelo de GAB muestra valores que siguen una tendencia de disminución en los resultados obtenidos.
Los parámetros del modelo de PELEG cumplen con las restricciones para el mejor ajuste de datos experimentales, el parámetro n1 para ambas sustancias posee valores mayores a la unidad y n2 tiene valores menores a la unidad. 4.1.1.3 Modelo de PELEG ajustado para la predicción de la humedad de equilibrio. A continuación se presenta los resultados obtenidos para el Modelo de PELEG, cuyas constantes se calcularon con la ayuda de la Herramienta de análisis SOLVER.
Tabla 35. Resultados Modelo de PELEG ajustado para la predicción de la humedad de equilibrio del hidróxido de sodio a 15°C, 25°C y 35°C
MODELO
T, °C 15
PELEG
25 35
81
Tabla 36. Resultados Modelo de PELEG ajustado para la predicción de la humedad de equilibrio del hidróxido de potasio a 15°C, 25°C y 35°C
MODELO
T, °C 15
PELEG
25 35
En las siguientes tablas se presentan las humedades de equilibrio, calculadas a partir de las constantes de PELEG, por tratarse del mejor ajuste. Los cálculos con los otros modelos se muestran en el Anexo M.
Tabla 37. Resultados Humedades de equilibrio calculadas con el modelo de PELEG para el hidróxido de sodio a 15°C, 25°C y 35°C Temperatura °C
aw (fracción)
15
0,04 0,44 0,71 0,76 0,85 0,89
Humedad de equilibrio (%) X*REAL X*PELEG 3,3595 3,3595 16,2541 16,2541 37,1435 36,7688 40,9506 41,6149 51,7140 51,1618 55,7449 55,7449
25
0,04 0,44 0,71 0,76 0,85 0,89
5,0940 54,3787 90,0857 96,5895 118,7364 129,5557
5,0940 54,3787 89,5606 97,7991 117,4059 129,5558
35
0,04 0,44 0,71 0,76 0,85 0,89
6,2138 58,0373 92,5207 100,7391 122,2202 133,6667
6,2138 57,7451 92,5207 100,7391 120,8337 133,6667
82
Tabla 38. Resultados Humedades de equilibrio calculadas con el modelo de PELEG para el hidróxido de potasio a 15°C, 25°C y 35°C Temperatura
aw
Humedad de equilibrio
°C
(fracción)
(%) X*REAL
X*PELEG
0,04
9,1158
9,1158
0,44
31,3398
31,3398
0,71
43,9204
43,3913
0,76
47,2605
47,2605
0,85
58,6885
58,1045
0,89
65,4368
65,4368
0,04
14,8004
14,8004
0,44
45,7105
45,6189
0,71
79,4703
79,4703
0,76
91,4999
90,9426
0,85
120,8369
118,4324
0,89
134,0977
134,0977
0,04
16,7619
16,7589
0,44
61,8633
61,8633
0,71
99,0362
98,2503
0,76
109,3304
108,4687
0,85
131,2109
131,2109
0,89
147,4153
143,4542
15
25
35
4.1.2 Regiones de la Isoterma de Sorción de Humedad
4.1.2.1 Resultados del cálculo de la monocapa. Las regiones en las que se divide, generalmente la isoterma de sorción son tres, e indican la distribución del agua en un producto. Las regiones definidas para el NaOH y KOH se presentan en los Gráficos 12 y 13, respectivamente. La primera región está constituida por el agua de la monocapa, y la región finaliza cuando existe un alto contenido de humedad; lo que se observa claramente al graficar y que a partir de la ecuación de PELEG (ecuación 18), se calcula la actividad de agua correspondiente a la monocapa, como se muestra en la Tabla 39. 83
En la sorción de humedad para el NaOH, los valores de aw que limitan la primera zona varían entre 0,34 hasta 0,59; y para el KOH los valores son de 0,19 hasta 0,26. La variabilidad de resultados se debe al tipo de muestra y temperatura.
Tabla 39. Resultados de la Actividad de agua a nivel de monocapa, obtenida con la ecuación de PELEG a 15°C, 25°C y 35°C Sustancia
NaOH
KOH
Parámetro
Temperatura °C 15
25
35
mo (%b.s.)*
11,00
72,55
64,50
aw**
0,34
0,59
0,50
mo (%b.s.)*
21,18
29,71
44,88
aw**
0,21
0,19
0,26
*Valores de monocapa calculados aplicando el modelo de BET ** Valores de aw calculados con el modelo de PELEG, con base a los datos mo (%b.s.)*
La región de multicapas o de agua absorbida químicamente en los hidróxidos gráficamente es visible. La zona inicia con la finalización de la región de monocapa y se extiende hasta donde la pendiente de la curva se incrementa bruscamente; ahí se elige el valor de límite superior de aw (Tabla 40).
En las curvas de sorción a 15°C, para las dos sustancias el límite sobre la escala de aw se extiende desde 0,71 a 0,76; para los 25°C el límite está entre 0,71 a 0,76 y a 35°C encontramos esta región termina en límites que están entre 0,73 a 0,75, respectivamente.
Tabla 40. Límite superior de la región de la isoterma Temperatura
Sustancia
°C 15
25
35
Límite Superior aw (fracción)
NaOH
0,71
KOH
0,76
NaOH
0,76
KOH
0,71
NaOH
0,75
KOH
0,73
84
La región de condensación capilar, en los hidróxidos estudiados empieza en actividades de agua superiores a 0,71. Los datos analíticos concuerdan con lo visualizado experimentalmente en las muestras de hidróxidos. En los frascos con las soluciones saturadas de K2CO3 (aw de 0,44) las muestras tienden a humedecerse, mientras que en el frasco con la solución saturada de KI (aw de 0,71), el NaOH y KOH han formado solución y por debajo de esta una especie de pasta blanquecina. A
medida que se incrementa la temperatura, a mayor aw, los hidróxidos
delicuescen totalmente.
Gráfico 12. Regiones de las isotermas de humedad para el hidróxido de sodio
Gráfico 13. Regiones de las isotermas de humedad para el hidróxido de potasio 85
4.1.3 Análisis de formación de Hidratos. Los resultados que se muestran representan el promedio de las cinco réplicas. El cálculo para todas las determinaciones experimentales se presenta en el Anexo N.
Tabla 41. Resultados Análisis de formación de hidratos en el hidróxido de sodio a 15, 25 y 35°C Hidróxido de Sodio T
aw
(°C)
(fracción)
%NaOH
moles
%H2O
NaOH
moles H2O
0,04
96,8049
0,0518
3,1951
0,0038
0,44
86,1155
0,0523
13,8845
0,0188
0,71
72,9904
0,0518
27,0096
0,0427
0,76
71,1269
0,0533
28,8731
0,0482
0,85
65,9561
0,0515
34,0439
0,0591
0,89
64,3630
0,0531
35,6370
0,0653
0,04
95,2201
0,0531
4,7799
0,0059
0,44
65,1229
0,0524
34,8771
0,0628
0,71
52,6370
0,0516
47,3630
0,1031
0,76
51,0702
0,0542
48,9298
0,1157
0,85
45,7600
0,0542
54,2400
0,1430
0,89
43,5935
0,0572
56,4065
0,1644
0,04
94,2141
0,0366
5,7859
0,0070
0,44
63,3291
0,0380
36,6709
0,0687
0,71
51,9841
0,0376
48,0159
0,1082
0,76
49,8480
0,0379
50,1520
0,1188
0,85
45,0289
0,0367
54,9711
0,1398
0,89
42,8302
0,0380
57,1698
0,1581
15
25
35
Del análisis de la Tabla 41, se deduce que a 15°C y con rango de aw de 0,04 a 0,89 el porcentaje de agua sorbida varía desde 3,1951% a 35,6370%. En la actividad de agua de 0,85 se observa que el agua sorbida asciende a 34,0439%, indicando la formación inicial del NaOH.1H2O (hidrato más estable), cuya composición es de 68,97% de NaOH y 31,03% de agua de cristalización, aquí aún se mantiene el NaOH en estado sólido. 86
A 25°C a actividades de agua de 0,04 a 0,44; el porcentaje de agua sorbida varía desde 4,7799% a 34,8771%. Para la aw de 0,44 se observa que el agua sorbida es de 34,8771%, esto indica que la formación del NaOH.1H2O se efectúa y para aw superiores el porcentaje se incrementa hasta 56,4065%, observándose ya la disolución del NaOH debido a la humedad circundante de la cámara.
Para 35°C el porcentaje de agua sorbida varía de 5,7859% a 36,6709% en aw de 0,04 y 0,44; de igual manera aquí se tiene la formación del NaOH.1H2O. Para el resto de actividades de agua el contenido de humedad se incrementa hasta 57,1698%, deduciéndose que para rangos de aw mayores el NaOH presenta un característico comportamiento delicuescente y confirmándose así su alta solubilidad en agua.
Tabla 42. Resultados Análisis de formación de hidratos en el hidróxido de potasio a 15, 25 y 35°C
T (°C)
15
25
aw (fracción)
Hidróxido de Potasio %NaOH
moles
%H2O
NaOH
Moles H2O
0,04
99,1404
0,0401
0,8596
0,0011
0,44
82,3943
0,0368
17,6057
0,0245
0,71
75,1948
0,0386
24,8052
0,0398
0,76
73,4665
0,0398
26,5335
0,0448
0,85
68,1770
0,0377
31,8230
0,0548
0,89
65,4803
0,0372
34,5197
0,0612
0,04
94,2386
0,0392
5,7614
0,0075
0,44
75,7162
0,0404
24,2838
0,0434
0,71
60,2776
0,0359
39,7224
0,0737
0,76
56,5235
0,0387
43,4765
0,0928
0,85
48,9846
0,0390
51,0154
0,1265
0,89
46,2165
0,0394
53,7835
0,1430
0,04
92,6538
0,0363
7,3462
0,0090
0,44
66,8687
0,0369
33,1313
0,0571
0,71
54,4257
0,0362
45,5743
0,0948
0,76
51,6828
0,0379
48,3172
0,1105
0,85
46,8187
0,0360
53,1813
0,1276
0,89
43,7252
0,0359
56,2748
0,1439
35
87
Del análisis de la Tabla 42, se deduce que a 15°C y con rango de aw de 0,04 a 0,89 el porcentaje de agua sorbida varía desde 0,8596% a 34,5197%. En la actividad de agua de 0,85 se observa que el agua sorbida asciende a 31,8230%, indicando la formación inicial del KOH.1H2O (hidrato más o menos estable), cuya composición es de 67,86% de KOH y 32,14% de agua de cristalización, aquí aún se mantiene el KOH en estado sólido.
A 25°C a actividades de agua de 0,04 a 0,44; el porcentaje de agua sorbida varía desde 5,7614% a 24,2838%. En actividad de agua de 0,71 se observa que el agua sorbida asciende a 39,7224%, esto indica que la formación del KOH.1H2O se efectúa entre el rango de aw de 0,44 y 0,71; para actividades de agua superiores el porcentaje se incrementa hasta 53,7835%, observándose ya la disolución del KOH debido a la humedad circundante.
Para 35°C el porcentaje de agua sorbida varía de 7,33462% a 33, 1313% en aw de 0,04 y 0,44; de igual manera aquí se tiene la formación del KOH.1H2O. Para el resto de actividades de agua el contenido de humedad se incrementa hasta 56,2748%, deduciéndose que para rangos de aw mayores el KOH presenta un característico comportamiento delicuescente y confirma su alta solubilidad en agua.
4.1.4 Análisis de la formación de Carbonatos por efecto del Dióxido de Carbono del Aire
4.1.4.1 Solubilidad del CO2 en el agua sorbida por las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio
Cálculo de las moles de CO2 solubles en el agua sorbida Aplicación de la Ley de Henry [
]
(30)
Donde: [
]
88
Corrección de la presión parcial del vapor de agua [
]
(
)
(31)
Donde: [
]
Volumen de agua sorbida
(32)
Donde:
Moles de CO2 soluble en el agua sorbida [ ]
(33)
Donde: [ ] [
]
Cálculo modelo para el hidróxido de sodio a 15°C y 0,04 de humedad relativa Tomando en cuenta los datos de la Tabla 22 y 23, con la ecuación (31) se calcula la composición de CO2, en el agua sorbida.
[
]
[
]
[
]
89
Con los datos de la Tabla 41 y 23, con la ecuación (32), se calculó el volumen de agua sorbida.
Con ayuda de los datos calculados anteriormente y la ecuación (33), se obtuvo las moles de CO2 solubles en el agua sorbida [ ] [ ] En las Tablas 43 y 44, se muestran los resultados para todas las condiciones experimentales.
Tabla 43. Resultados de Solubilidad del CO2 en el agua sorbida por
muestras de
hidróxido de sodio a diferentes actividades de agua y temperaturas T, °C
HR (fracción)
Volumen de agua sorbida
15
0,04 0,44 0,71 0,76 0,85 0,89
Moles de agua sorbida 0,0038 0,0188 0,0427 0,0482 0,0591 0,0653
Moles CO2 Solubles
6,8401E-05 3,3846E-04 7,7003E-04 8,6926E-04 1,0639E-03 1,1762E-03
Moles CO2solubles / L H2O 9,7162E-06 9,6251E-06 9,5635E-06 9,5522E-06 9,5316E-06 9,5225E-06
25
0,04 0,44 0,71 0,76 0,85 0,89
0,0059 0,0628 0,1031 0,1157 0,1430 0,1644
1,0738E-04 1,1346E-03 1,8619E-03 2,0897E-03 2,5808E-03 2,9677E-03
7,2598E-06 7,1328E-06 7,0471E-06 7,0312E-06 7,0027E-06 6,9900E-06
7,7953E-10 8,0927E-09 1,3121E-08 1,4693E-08 1,8072E-08 2,0744E-08
35
0,04 0,44 0,71 0,76 0,85 0,89
0,0070 0,0687 0,1082 0,1188 0,1398 0,1581
1,2438E-03 1,2438E-03 1,9595E-03 2,1519E-03 2,5310E-03 2,8630E-03
5,7056E-06 5,5284E-06 5,4088E-06 5,3867E-06 5,3468E-06 5,3291E-06
7,2643E-10 6,8764E-09 1,0598E-08 1,1592E-08 1,3533E-08 1,5257E-08
90
6,6459E-10 3,2577E-09 7,3642E-09 8,3033E-09 1,0141E-08 1,1200E-08
Tabla 44. Resultados de Solubilidad del CO2 en el agua sorbida por muestras de hidróxido de potasio a diferentes actividades de agua y temperaturas T, °C
HR (fracción)
Volumen de agua sorbida
15
0,04 0,44 0,71 0,76 0,86 0,89
Moles de agua sorbida 0,0011 0,0245 0,0398 0,0448 0,0548 0,0612
Moles CO2 solubles
1,9417E-05 4,4150E-04 7,1711E-04 8,0725E-04 9,8731E-04 1,1018E-03
Moles CO2solubles / L H2O 9,7162E-06 9,6251E-06 9,5635E-06 9,5522E-06 9,5316E-06 9,5225E-06
25
0,04 0,44 0,71 0,76 0,86 0,89
0,0075 0,0434 0,0737 0,0928 0,1265 0,1430
1,3540E-04 7,8368E-04 1,3312E-03 1,6746E-03 2,2829E-03 2,5808E-03
7,2598E-06 7,1328E-06 7,0471E-06 7,0312E-06 7,0027E-06 6,9900E-06
9,8297E-10 5,5898E-09 9,3813E-09 1,1775E-08 1,5986E-08 1,8040E-08
35
0,04 0,44 0,71 0,76 0,86 0,89
0,0090 0,0571 0,0948 0,1105 0,1276 0,1439
1,6265E-04 1,0339E-03 1,7172E-03 2,0012E-03 2,3105E-03 2,6059E-03
5,7056E-06 5,5284E-06 5,4088E-06 5,3867E-06 5,3468E-06 5,3291E-06
9,2802E-10 5,7159E-09 9,2882E-09 1,0780E-08 1,2354E-08 1,3887E-08
1,8866E-10 4,2494E-09 6,8581E-09 7,7109E-09 9,4107E-09 1,0491E-08
4.1.4.2 Determinación teórica de la composición en carbonatos generados en las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio
a) Cálculo de la masa de carbonatos generados. Teniendo en cuenta las reacciones químicas teóricas que se producen, se tiene:
En el caso del CO2 gaseoso de la atmósfera generada en los recipientes, éste se disuelve en el agua, y además reacciona químicamente con ésta:
CO2 (g) + H2O (l)
H2CO3 (aq)
91
Por la exposición de las muestras húmedas de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio en una atmósfera en presencia de CO2 gaseoso, lleva a la formación del carbonato de sodio y carbonato de potasio respectivamente.
2 NaOH (aq) + CO2 (g)
Na2CO3 (aq) + H2O
2 KOH (aq) + CO2 (g)
K2CO3 (aq) + H2O
Reactivo limitante: CO2 gaseoso Relación estequiométrica:
Entonces, así se obtuvo una ecuación para conocer la masa de carbonatos que se generan.
Para el NaOH:
(34)
Para el KOH:
(35)
Cálculo modelo para determinar la formación de carbonato en una muestra de hidróxido de sodio
Tabla 45. Características de la muestra Sustancia
Hidróxido de sodio
Temperatura
15°C
Humedad relativa
0,04
Moles de CO2 solubles
6,6459E-10
Moles de agua sorbida
0,0038
92
Relación estequiométrica:
Aplicando la ecuación (35), se puede calcular la masa de Na2CO3, que se genera:
b) Cálculo de la fracción másica de carbonatos generados en las muestras húmedas a cada condición experimental. Se determinó la fracción másica a partir de la siguiente relación:
A continuación se tabulan los resultados, teniendo en cuenta que la masa de muestra húmeda es la correspondiente al promedio de las 5 réplicas que se hicieron a las diferentes condiciones experimentales.
93
Tabla 46. Resultados Fracción másica de Na2CO3 generados T,
HR
Masa
Moles
Masa
Fracción másica
°C
(fracción)
muestra
Na2CO3,
Na2CO3,
Na2CO3
húmeda, g
mol
g
generados
0,04
2,1392
6,6459E-10
7,0447E-08
3,2931E-08
0,44
2,4320
3,2577E-09
3,4532E-07
1,4199E-07
0,71
2,8427
7,3642E-09
7,8061E-07
2,7461E-07
0,76
3,0024
8,3033E-09
8,8015E-07
2,9315E-07
0,85
3,1217
1,0141E-08
1,0750E-06
3,4435E-07
0,89
3,2978
1,1200E-08
1,1872E-06
3,6001E-07
0,04
2,2317
7,7953E-10
8,2630E-08
3,7026E-08
0,44
3,2283
8,0927E-09
8,5782E-07
2,6572E-07
0,71
3,9194
1,3121E-08
1,3908E-06
3,5485E-07
0,76
4,2524
1,4693E-08
1,5574E-06
3,6625E-07
0,85
4,7430
1,8072E-08
1,9157E-06
4,0390E-07
0,89
5,2455
2,0744E-08
2,1989E-06
4,1920E-07
0,04
2,1808
7,2643E-10
7,7002E-08
3,5309E-08
0,44
3,3704
6,8764E-09
7,2890E-07
2,1626E-07
0,71
4,0562
1,0598E-08
1,1234E-06
2,7697E-07
0,76
4,2657
1,1592E-08
1,2287E-06
2,8804E-07
0,85
4,5771
1,3533E-08
1,4345E-06
3,1341E-07
0,89
4,9774
1,5257E-08
1,6173E-06
3,2492E-07
15
25
35
94
Tabla 47. Resultados Fracción másica de K2CO3 generados T, °C
HR
Masa
Moles
Masa
Fracción másica
(fracción)
muestra
Na2CO3,
Na2CO3,
K2CO3
húmeda, g
mol
g
Generados
0,04
2,2666
1,8866E-10
2,6071E-08
1,1502E-08
0,44
2,5036
4,2494E-09
5,8723E-07
2,3455E-07
0,71
2,8841
6,8581E-09
9,4772E-07
3,2860E-07
0,76
3,0407
7,7109E-09
1,0656E-06
3,5044E-07
0,86
3,0996
9,4107E-09
1,3005E-06
4,1956E-07
0,89
3,1854
1,0491E-08
1,4498E-06
4,5515E-07
0,04
2,3347
9,8297E-10
1,3584E-07
5,8181E-08
0,44
3,0466
5,5898E-09
7,7245E-07
2,5354E-07
0,71
3,3412
9,3813E-09
1,2964E-06
3,8800E-07
0,76
3,8408
1,1775E-08
1,6271E-06
4,2364E-07
0,86
4,4616
1,5986E-08
2,2091E-06
4,9514E-07
0,89
4,7832
1,8040E-08
2,4930E-06
5,2119E-07
0,04
2,1985
9,2802E-10
1,2824E-07
5,8333E-08
0,44
3,0995
5,7159E-09
7,8988E-07
2,5484E-07
0,71
3,7400
9,2882E-09
1,2835E-06
3,4319E-07
0,76
4,1178
1,0780E-08
1,4896E-06
3,6176E-07
0,86
4,3161
1,2354E-08
1,7072E-06
3,9554E-07
0,89
4,6030
1,3887E-08
1,9191E-06
4,1692E-07
15
25
35
4.1.4.3 Determinación teórica de la composición en hidróxidos de las muestras húmedas de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio
a) Cálculo de las moles de hidróxidos remanentes. Se determinaron las moles de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio que reaccionaron para dar origen a los carbonatos de sodio y carbonato de potasio respectivamente.
Para esto se basó en la siguiente relación estequiométrica:
95
De donde:
(36)
(37)
Además se calculó las moles de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio que constituyen las muestras húmedas de cada determinación experimental.
(38)
(39)
Entonces, así se obtuvo una ecuación para conocer la masa de hidróxidos remanentes.
Para el NaOH:
(40)
Para el KOH:
(41)
Cálculo modelo para determinar la composición de hidróxidos en una muestra de hidróxido de sodio
Tabla 48. Características de la muestra Sustancia
Hidróxido de sodio
Temperatura
15°C
Humedad relativa
0,04
Moles de CO2 solubles
6,6459E-10
Moles iniciales NaOH
0,0518 96
Haciendo uso de la ecuación (36), se calculó las moles de NaOH consumidas
Cálculo de las moles de NaOH remanente, haciendo uso de la ecuación (38).
Aplicando la ecuación (40), se puede calcular la masa de NaOH remanente.
Tabla 49. Resultados Moles de NaOH remanentes T, °C
HR (fracción)
Moles NaOH consumidas
Moles NaOH remanentes
15
0,04 0,44 0,71 0,76 0,86 0,89
Moles NaOH iniciales 0,0518 0,0523 0,0518 0,0533 0,0515 0,0531
3,3230E-10 1,6289E-09 3,6821E-09 4,1517E-09 5,0705E-09 5,6002E-09
5,1772E-02 5,2347E-02 5,1833E-02 5,3348E-02 5,1468E-02 5,3067E-02
Masa NaOH G 2,0709 2,0939 2,0733 2,1339 2,0587 2,1227
25
0,04 0,44 0,71 0,76 0,86 0,89
0,0531 0,0524 0,0516 0,0542 0,0542 0,0572
3,8977E-10 4,0463E-09 6,5604E-09 7,3464E-09 9,0362E-09 1,0372E-08
5,3115E-02 5,2428E-02 5,1576E-02 5,4223E-02 5,4245E-02 5,7163E-02
2,1246 2,0971 2,0630 2,1689 2,1698 2,2865
35
0,04 0,44 0,71 0,76 0,86 0,89
0,0366 0,0380 0,0376 0,0379 0,0367 0,0380
3,6322E-10 3,4382E-09 5,2992E-09 5,7958E-09 6,7665E-09 7,6286E-09
3,6611E-02 3,8032E-02 3,7577E-02 3,7902E-02 3,6734E-02 3,7989E-02
1,4644 1,5213 1,5031 1,5161 1,4693 1,5195
97
Tabla 50. Resultados Moles de KOH remanentes T, °C
HR
Moles KOH
Moles KOH
Moles KOH
Masa
(fracción)
iniciales
consumidas
remanentes
KOH G
0,04
0,0401
9,4332E-11
4,0050E-02
2,2468
0,44
0,0368
2,1247E-09
3,6758E-02
2,0621
0,71
0,0386
3,4290E-09
3,8632E-02
2,1673
0,76
0,0398
3,8555E-09
3,9818E-02
2,2338
0,86
0,0377
4,7053E-09
3,7661E-02
2,1128
0,89
0,0372
5,2457E-09
3,7152E-02
2,0842
0,04
0,0392
4,9149E-10
3,9204E-02
2,1993
0,44
0,0404
2,7949E-09
4,0372E-02
2,2649
0,71
0,0359
4,6907E-09
3,5893E-02
2,0136
0,76
0,0387
5,8873E-09
3,8695E-02
2,1708
0,86
0,0390
7,9931E-09
3,8950E-02
2,1851
0,89
0,0394
9,0200E-09
3,9387E-02
2,2096
0,04
0,0363
4,6401E-10
3,6300E-02
2,0364
0,44
0,0369
2,8579E-09
3,6922E-02
2,0714
0,71
0,0362
4,6441E-09
3,6233E-02
2,0327
0,76
0,0379
5,3898E-09
3,7935E-02
2,1282
0,86
0,0360
6,1770E-09
3,5989E-02
2,0190
0,89
0,0359
6,9436E-09
3,5869E-02
2,0122
15
25
35
b) Cálculo de la fracción másica de hidróxidos en las muestras húmedas a cada condición experimental. Se determinó la fracción másica a partir de la siguiente relación:
98
A continuación se tabulan los resultados, teniendo en cuenta que la masa de muestra húmeda es la correspondiente al promedio de las 5 réplicas que se hicieron a las diferentes condiciones experimentales.
Tabla 51. Resultados Fracción másica de NaOH remanente T, °C
HR (fracción)
Masa muestra Masa NaOH
Fracción másica
húmeda,
remanente,
NaOH
g
g
remanentes
0,04
2,1392
2,0709
0,9681
0,44
2,4320
2,0939
0,8610
0,71
2,8427
2,0733
0,7294
0,76
3,0024
2,1339
0,7107
0,86
3,1217
2,0587
0,6595
0,89
3,2978
2,1227
0,6437
0,04
2,2317
2,1246
0,9520
0,44
3,2283
2,0971
0,6496
0,71
3,9194
2,0630
0,5264
0,76
4,2524
2,1689
0,5100
0,86
4,7430
2,1698
0,4575
0,89
5,2455
2,2865
0,4359
0,04
2,1808
1,4644
0,6715
0,44
3,3704
1,5213
0,4514
0,71
4,0562
1,5031
0,3706
0,76
4,2657
1,5161
0,3554
0,86
4,5771
1,4693
0,3210
0,89
4,9774
1,5195
0,3053
15
25
35
99
Tabla 52. Resultados Fracción másica de KOH remanente T, °C
HR
Masa muestra
Masa KOH
Fracción
(fracción)
húmeda,
remanente,
másica KOH
G
g
remanentes
0,04
2,2666
2,2468
0,9913
0,44
2,5036
2,0621
0,8237
0,71
2,8841
2,1673
0,7515
0,76
3,0407
2,2338
0,7346
0,86
3,0996
2,1128
0,6816
0,89
3,1854
2,0842
0,6543
0,04
2,3347
2,1993
0,9420
0,44
3,0466
2,2649
0,7434
0,71
3,3412
2,0136
0,6026
0,76
3,8408
2,1708
0,5652
0,86
4,4616
2,1851
0,4898
0,89
4,7832
2,2096
0,4620
0,04
2,1985
2,0364
0,9263
0,44
3,0995
2,0714
0,6683
0,71
3,7400
2,0327
0,5435
0,76
4,1178
2,1282
0,5168
0,86
4,3161
2,0190
0,4678
0,89
4,6030
2,0122
0,4372
15
25
35
A continuación se presentan los gráficos que representan la relación entre el porcentaje másico de carbonatos generados en las muestras, en función del porcentaje de humedad relativa. Así como el porcentaje de hidróxidos remanentes en función del porcentaje de humedad relativa, todos a condiciones experimentales.
100
%CO3-2 generados = f (% HR) % Carbonatos generados
5,0E-05 4,5E-05
NaOH a 15°C
4,0E-05
NaOH a 35°C
3,5E-05
KOH a 15°C
3,0E-05
KOH a 35°C
2,5E-05 2,0E-05 1,5E-05 1,0E-05 5,0E-06 0,0E+00 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
% Humedad relativa
Gráfico 14. Curvas de tendencia teóricas de carbonatos generados en las muestras a condiciones experimentales.
%OH- remanentes = f (%HR) 110 NaOH a 15°C NaOH a 35°C KOH a 15°C KOH a 35°C
% Hidróxidos remanentes
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
%Humedad relativa Gráfico 15. Curvas de tendencia teóricas de hidróxidos remanentes en las muestras a condiciones experimentales.
101
4.1.4.4 Determinación experimental de la composición en carbonatos e hidróxidos en las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio. La determinación de la cantidad de carbonatos generados e hidróxidos presentes en las muestras se realizó a través del DPEC, mediante la valoración de una mezcla de álcali fuerte y carbonato. A continuación se muestran los gráficos que relacionan estos dos parámetros a condiciones experimentales. Los valores representados fueron tomados del Anexo J.
%CO3-2 generados = f (% HR)
% Carbonatos generados
45
NaOH a 15°C NaOH a 35°C KOH a 15°C KOH a 35°C
40 35 30 25 20 15 10 5 0 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90% 100%
% Humedad relativa Gráfico 16. Curvas de tendencia experimentales de carbonatos generados en las muestras
%OH- remanentes = f (%HR) % Hidróxidos remanentes
55
NaOH a 15°C NaOH a 35°C KOH a 15°C KOH a 35°C
50 45 40 35 30 25 0%
10%
20%
30%
40% 50% 60% 70% % Humedad relativa
80%
90% 100%
Gráfico 17. Curvas de tendencia experimentales de hidróxidos remanentes en las muestras 102
Del análisis de las Tablas 46 y 47, se deduce que la influencia del CO2 presente en la cámara de experimentación es baja si tomamos en cuenta los resultados que se obtuvieron de carbonatos teóricos que se generaron en ambas muestras, pues se tienen fracciones másicas del orden 7,0E07; valores que han sido calculados teóricamente con las reacciones químicas que se producen. Sin embargo, también se analizaron los resultados experimentales obtenidos por el DPEC (Anexo J) respecto a la fracción de carbonatos generados en las muestras, dando fracciones que van desde 0,017 a 0,20. Los valores en si difieren, pero la tendencia que siguen es la misma, tendencia que se ve representada en los gráficos del 14 y 16, donde la concentración de carbonatos va aumentando a medida que aumenta el porcentaje de humedad (aw) en la cámara y también aumenta la temperatura.
Al analizar las Tablas 51 y 52, se puede ver claramente que se tienen altas concentraciones de OH- (hidróxidos) presentes o remanentes en las muestras, lo que se confirma con los resultados del DPEC respecto a la concentración de OH-; y de manera similar la tendencia de estos valores es la misma donde se tiene que la concentración de hidróxidos disminuye a medida que se generan los carbonatos en las muestras y claro está que a medida que se aumenta la humedad (aw) y temperatura en la cámara, los hidróxidos disminuyen, esta tendencia se representa en los gráficos 15 y 17.
4.1.5 Aplicación de resultados
4.1.5.1
Aplicación de la ecuación de PELEG ajustada. Una vez que se obtuvieron las
ecuaciones para calcular la humedad de equilibrio a las distintas temperaturas experimentales (Tabla 35 y 36), éstas pueden ser utilizadas para encontrar nuevos valores variando la actividad de agua o humedad relativa.
A continuación se presentan las Tablas de Humedad de Equilibrio para el NaOH y KOH, a distintas temperaturas y humedades relativas que pueden encontrarse en la actividad industrial en la etapa de almacenamiento de materia prima, haciendo uso del modelo de PELEG el cual presentó el mejor ajuste de datos experimentales.
103
Tabla 53. Tabla de Humedad de Equilibrio para el NaOH Humedad relativa (%)
Temperatura del Aire (°C) 15
25
35
Humedad de equilibrio (%) 0
0,00
0,00
0,00
2
3,23
2,57
3,26
4
3,36
5,09
6,21
5
3,44
6,35
7,65
10
3,99
12,59
14,56
15
4,85
18,78
21,23
20
6,03
24,95
27,74
25
7,54
31,11
34,13
30
9,37
37,24
40,43
35
11,54
43,36
46,66
40
14,03
49,48
52,84
44
16,25
54,38
57,75
45
16,84
55,60
58,97
50
19,99
61,75
65,08
55
23,46
67,96
71,23
60
27,26
74,31
77,48
65
31,39
80,93
84,00
70
35,84
88,05
91,02
71
36,77
89,56
92,52
75
40,62
96,05
98,98
76
41,61
97,80
100,74
80
45,73
105,52
108,56
85
51,16
117,41
120,83
89
55,74
129,56
133,67
90
56,92
133,08
137,44
95
63,01
154,59
160,80
99
68,12
177,92
186,70
100
69,43
184,85
194,48
104
Tabla 54. Tabla de Humedad de Equilibrio para el KOH Humedad relativa (%)
Temperatura 15
25
35
Humedad de equilibrio (%)
0
0,00
0,00
0,00
2
6,38
10,90
11,66
4
9,12
14,80
16,76
5
10,22
16,33
18,84
10
14,60
22,19
27,08
15
17,98
26,55
33,51
20
20,85
30,20
39,02
25
23,38
33,46
44,02
30
25,68
36,54
48,73
35
27,81
39,60
53,33
40
29,80
42,81
57,99
44
31,34
45,62
61,86
45
31,72
46,37
62,86
50
33,60
50,46
68,10
55
35,51
55,33
73,89
60
37,56
61,25
80,40
65
39,90
68,51
87,82
70
42,74
77,45
96,38
71
43,39
79,47
98,25
75
46,39
88,46
106,30
76
47,26
90,94
108,47
80
51,31
101,96
117,82
85
58,10
118,43
131,21
89
65,44
134,10
143,45
90
67,60
138,40
146,75
95
80,91
162,43
164,73
99
95,27
185,00
181,10
100
99,50
191,15
185,48
105
4.1.5.2 Aplicación de las ecuaciones de humedad de equilibrio
a) Problema: Conservación de materia prima
En cierta fábrica de detergentes se almacena KOH(s). La temperatura ambiente promedio en Guayaquil durante la noche se puede estimar en 25°C. Con aire a temperatura ambiente, si la humedad relativa es superior a 40%, que sucederá con la materia prima ahí almacenada. Desarrollo: Conocemos que a 25°C y 40% de humedad relativa, la humedad de equilibrio para el KOH es de 42,81%; es decir la óptima para estas condiciones y para que el KOH no sufra alteraciones mientras se almacena.
Tabla 55. Datos de humedad de equilibrio para el KOH
Si la humedad que circula es superior al 40%, es decir, supera la humedad de equilibrio. Conclusión: La humedad de equilibrio que alcanza el KOH, con suficiente tiempo, es superior a la que se puede considerarse segura para almacenaje: 42,81% aproximadamente y por tanto influirá para que la materia prima se deteriore.
b) Problema: Humedad adquirida durante almacenamiento
Se desea calcular la máxima cantidad de agua que puede adquirir el hidróxido de sodio (presentación de 25 kg), en la bodega de almacenamiento, si las condiciones ambientales promedios son de 20°C y 50% de humedad relativa del aire. Desarrollo: Con ayuda del modelo matemático ajustado para el NaOH (Tabla 35), donde la humedad relativa o aw es una variable, se determina la humedad de equilibrio.
106
Tabla 56. Resultados de humedad de equilibrio del hidróxido de sodio a 15°C, 25°C y 35°C
Temperatura 15 25 35
Humedad de equilibrio g agua/100 g s.s 19,99 61,75 65,08
Para encontrar la humedad de equilibrio del NaOH a 20°C, se realiza el respectivo gráfico con los datos de la tabla anterior y luego la interpolación de datos, ajustando en Excel una ecuación, así:
(42)
El valor encontrado se muestra a continuación:
Humedad de equilibrio (g agua/100 g s.s.)
Humedad de equilibrio = f (Temperatura) 80 y = -0,1922x2 + 11,862x - 114,71 R² = 1
70 60 50 40 30 20 10 0 0
5
10
15 20 25 Temperatura (°C)
30
35
Gráfico 18. Resultado de la humedad de equilibrio a 20°C
107
40
A partir de la humedad de equilibrio se calcula la máxima cantidad de agua para el NaOH en presentaciones de 25 kg, así:
(43)
Conclusión
El hidróxido de sodio en presentaciones de 25 kg podrá adquirir una cantidad máxima de agua de 11,41 kg; con suficiente tiempo de exposición a las condiciones de 20°C y 50% de humedad relativa.
4.1.6 Resumen de Resultados
Tabla 57. Resumen de resultados HUMEDAD DE EQUILIBRIO (%) T, °C
HR (fracción) 0,04 0,44 0,71 0,76 0,85 0,89
Hidróxido de Sodio 3,3595 16,2541 37,1435 40,9506 51,7140 55,7449
Hidróxido de Potasio 9,1158 31,3398 43,9204 47,2605 58,6885 65,4368
25
0,04 0,44 0,71 0,76 0,85 0,89
5,0940 54,3787 90,0857 96,5895 118,7364 129,5557
14,8004 45,7105 79,4703 91,4999 120,8369 134,0977
35
0,04 0,44 0,71 0,76 0,85 0,89
6,2138 58,0373 92,5207 100,7391 122,2202 133,6667
16,7619 61,8633 99,0362 109,3304 131,2109 147,4153
15
108
Tabla 57. (Continuación) PARÁMETROS Y MODELO DE PELEG T, °C
Hidróxido de Sodio
Hidróxido de Potasio
15 25 35
109
5. DISCUSIÓN DE DATOS Y RESULTADOS
Los datos registrados a lo largo de la experimentación muestran un incremento gradual de la masa en función del tiempo, y conforme se exponen a diferentes humedades y temperaturas. Al final las curvas que se obtuvieron representadas en los gráficos 4 y 5 no son simétricamente iguales, el NaOH tiene un rango estrecho de sorción de humedad entre los 25 y 35°C, lo que no ocurre con el KOH que tiene mayor rango de sorción de humedad, aunque la tendencia es ganar masa en ambos casos. Esto podría deberse a que el NaOH en el rango de 0 a 30°C es menos soluble (42-119g NaOH/100g H2O), por tal razón absorberá menor humedad a diferencia del KOH comparado en el mismo rango (97-126g KOH/100g H2O).
En la Tabla 57, se evidencia el incremento de la humedad de equilibrio del sólido al aumentar la temperatura y humedad relativa del aire, relación que se grafica para todos los modelos matemáticos utilizados en este trabajo y que han llevado a obtener las curvas de sorción de humedad con excelentes resultados, y aplicando el modelo de PELEG se logra un mejor ajuste de los datos experimentales.
Como se ha mencionado, el modelo propuesto por PELEG proporciona los valores más altos del coeficiente R2 que están entre 0,9996 a 0,9999; 0,9993 a 0,9998 para el NaOH y KOH respectivamente y los valores más bajos del error relativo medio para todas las condiciones experimentales; siendo por lo tanto el mejor modelo de ajuste de los datos experimentales.
Las condiciones que se utilizaron para simular el almacenamiento de materia prima estuvieron de acuerdo a la experimentación en laboratorio y llevó a obtener buenos resultados, sin embargo las condiciones reales sobre todo del tiempo de almacenaje no correspondería, pudiendo ser este tiempo mayor o menor de 7 días (tiempo experimental) que pudiese permanecer o no en la empresa, por tanto el modelo encontrado está basado en este tiempo.
Al realizar el análisis de los hidratos se asume que el hidrato que se formó es el monohidratado para ambos casos, ya que si se relaciona la proporción de agua que muestran las tablas 41 y 42, se tiene que a 0,85 de humedad relativa el agua sorbida recién asciende a 110
34% para el NaOH y 31% para el KOH, y se tiene presente que la composición de los hidróxidos estudiados es de 68,97% NaOH y 31,03% H2O, con 67,86% KOH y 32,14% H2O respectivamente; indicando así la formación inicial del NaOH.1H2O y KOH.1H2O. Por tanto a bajos rangos de humedad relativa aún se mantienen las muestras en estado sólido y probablemente podría ser el hidrato más estable que se forme en la industria mientras permanece la materia prima en almacén, a diferencia de la exposición a altos rangos de humedad relativa, donde las muestras empiezan a humedecerse y posteriormente se disuelven totalmente.
En cuanto a la influencia del CO2 en el contenido de CO32-, teóricamente se establece que el CO2 reacciona con el NaOH y KOH para formar sus respectivos carbonatos, pero al comparar las concentraciones calculadas teóricamente con las estimadas por los análisis de laboratorio o experimentales, los valores difieren; sin embargo la tendencia que siguen ambas especies es la misma, donde la concentración de carbonatos va aumentando a medida que aumenta el porcentaje de humedad y temperatura; en cuanto a la concentración de hidróxidos en ambos casos, la cantidad de hidróxidos disminuyen a medida que se van generando los carbonatos por acción de la humedad en el interior de la cámara.
Al analizar los gráficos de las regiones de la isoterma de sorción de humedad (12y 13), se evidencia que tanto el hidróxido de sodio como el hidróxido de potasio son altamente delicuescentes, propiedad que se ve reflejada en el aspecto húmedo de las muestras durante la parte experimental y que conforme aumenta el porcentaje de humedad y temperatura, éstas continúan absorbiendo agua hasta llegar
a formar una disolución, así para los
hidróxidos estudiados esta disolución empieza a notarse con porcentajes de humedad superiores a 70%.
111
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1 Conclusiones Generales
Se obtuvo las humedades relativas de equilibrio para el hidróxido de sodio e hidróxido de potasio, que se muestran en las Tablas 53 y 54; así como el modelo matemático que hace posible analizar el comportamiento que tienen estas sustancias frente a la humedad y temperatura del aire; condiciones ambientales que provocan incrementos de masa en materia prima de carácter delicuescente. La importancia de obtener los diferentes parámetros de la ecuación de PELEG para cada temperatura experimental (Tablas 35 y 36), es que a través de estas ecuaciones se puede interpolar la humedad de equilibrio a distintas temperaturas y humedades relativas del aire (distintas a las de experimentación), es decir, se podrá conocer y controlar la ganancia gradual de masa de agua y evitar incrementos no deseados en productos higroscópicos. Las isotermas de sorción de humedad que se obtuvieron para el hidróxido de sodio e hidróxido de potasio corresponden al tipo III, al tratarse de curvas cóncavas y que adoptan la forma de J. Estas se relacionan en materiales cristalinos solubles en agua que pueden estar presentes en alimentos (por ejemplo: azúcares o sales). Se desarrolló satisfactoriamente la experimentación gracias a la colaboración conjunta del CONSEP y la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador, ratificándose que ambas Instituciones tienen interés en desarrollar proyectos que sirvan de ayuda en el manejo y control de sustancias químicas controladas en el país.
112
6.2 Conclusiones Experimentales
Al término de la experimentación se obtuvo como resultado, que el hidróxido de potasio es mucho más delicuescente, tendiendo a ganar mayor humedad del aire que el hidróxido de sodio, ya que a temperatura de 15°C y humedad de 0,89 la muestra ganó 65,44% de agua frente a 55,74%, mientras que a 35°C gana 147,42% de agua frente a 133,67%; mostrando que el proceso de higroscopia de estas sustancias se ve favorecido con el aumento de la temperatura, tendencia que se ve reflejada en las isotermas de sorción de humedad. Se obtuvo el ajuste del modelo matemático propuesto por PELEG, que permite hallar la humedad de equilibrio del hidróxido de sodio e hidróxido de potasio, variando la humedad relativa y temperatura; tal como se muestra en las Tablas 35 y 36. El ajuste de los datos experimentales a este modelo matemático, presentan un promedio de 0,9997 del coeficiente R2 y un 0,0069% de error relativo medio; por tanto es confiable la aplicación de este modelo para otras sustancias con similares características. La humedad relativa, afecta directamente en la estabilidad de estas sustancias químicas catalogadas, como se puede apreciar en las Tablas 16 a 21; donde a un mismo tiempo de 7 días y una misma temperatura T=25°C; a HR=4% se incrementan 2,24g y a HR=89% 4,05g de masa de agua para el NaOH y 2,33g a 4,78g para el KOH, considerando las mismas condiciones. Por tanto, la incidencia de esta variable se debe considerar al momento de hacer una fiscalización; ya que permitirá realizar ajustes de inventario respecto a los excedentes de masa, debido a condiciones ambientales en el almacenamiento y manipulación, de este modo se busca mejorar el control de la ley actual. Se comprobó que los cambios que se producen en sustancias higroscópicas, son ocasionados por la temperatura y humedad relativa principalmente, por tanto se pueden minimizar éstos realizando un control de las condiciones de almacenamiento. De tal manera los ambientes frescos y secos son los óptimos, donde la HR 5% y T
; son condiciones que en
comparación con temperaturas y humedades relativas altas, provocan un incremento de masa mínimo.
113
6.3 Recomendaciones Generales
Teniendo presente que el trabajo desarrollado proporciona información sobre sustancias químicas fiscalizadas por el CONSEP, la técnica empleada puede ser tomada en cuenta para posteriores estudios y ser aplicado para otros compuestos sólidos también controlados.
Proponer en base a datos experimentales y a un análisis estadístico más completo un modelo matemático, que relacione la ganancia de humedad con otros factores como el tipo de empaque, el tiempo de vida útil; que pueda ayudar a disminuir estos excedentes en masa bajo cualquier condición ambiental.
Debido a que no todas las sustancias químicas sólidas poseen las mismas características y comportamiento, no es correcto considerar los modelos matemáticos experimentalmente obtenidos para generalizar a todas aquellas sustancias químicas de carácter sólido que regula el CONSEP.
6.4 Recomendaciones al CONSEP y a la industria
Ya que el trabajo se desarrolló a pequeña escala a nivel de laboratorio, se recomienda realizarlo a mayor escala o directamente en la industria, donde las condiciones son más reales y se obtendría un mejor ajuste de datos que la industria y el CONSEP requiere. Sin embargo, se tiene claro que la incidencia de la humedad relativa principalmente, afecta la estabilidad de estas sustancias químicas y se debe considerar al momento de realizar una fiscalización.
El hecho de que en la industria los productos químicos que se utilicen se mantengan en sus embalajes, no significa que su naturaleza química pueda experimentar una ganancia de humedad, que llegará al equilibrio pero tardará mucho más tiempo. Por tanto, se recomienda a cada empresa mantener su materia prima en óptimas condiciones con el fin de conservar sus propiedades y evitar incrementos indeseables.
Establecer un control de humedad y temperatura durante cualquier proceso que se realice, así como considerar las pérdidas de masa que se pueden generar, con el fin de reducir los reajustes de inventario.
114
CITAS BIBLIOGRÁFICAS
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[10] BLOGS. Formas soda cáustica [en línea] [Fecha de consulta: 7 de Febrero de 2012]. Disponible en: http://www.oxychile.cl/opensite_20069.aspx
[11] KIRK, R.OTHMER. Enciclopedia de la Tecnología Química. Tomo XIII. Primera edición en español. Editorial Unión Tipográfica Hispano-Americana, 1963. pp.73-74
[12] BLOGS. Proceso soda potásica [en línea] [Fecha de consulta: 7 de Febrero de 2012]. Disponible en: http://www.oxychile.cl/opensite_20069.aspx
[13] BLOGS. Usos potasa sódica [en línea] [Fecha de consulta: 7 de Febrero de 2012]. Disponible en: http://www.oxychile.cl/opensite_20088.aspx
[14] Ibid, (9) [15] Ibid, (10)
[16] WIKIPEDIA. Humedad relativa [en línea] [Fecha de consulta: 8 de Febrero de 2012]. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Humedad#Humedad_relativa
[17] TREYBAL, R. Operaciones de transferencia de masa. Segunda edición. McGraw-Hill. México. p. 725
[18] Ibid. p. 726 [19] Ibid. p. 727 [20] Ibid. p. 728
[21] BADUI, Salvador. Química de los Alimentos. Editorial Alhambra S.A., México. 1999. pp. 16-17
[22] BLOGS. Actividad de agua [en línea] [Fecha de consulta: 10 de Febrero de 2012]. Disponible en: http://oscarmm.mayo.uson.mx/alimentos.htm
[23] Ibid (22)
[24] POAQUIZA, D. Determinación de isotermas y calor de sorción de humedad de panela granulada producida por las organizaciones paneleras de Ingapi y Pacto. Trabajo de grado (Ingeniero Agroindustrial).Escuela Politécnica Nacional. Facultad de Ingeniería Química y Agroindustrial. Quito, 2008. p. 9. 116
[25] FENNEMA, O. R. Química de los Alimentos. Zaragoza: Editorial Acribia, 1985. España. p. 38
[26] COELLO D. Fundamentos de adsorción [en línea] [Fecha de consulta: 5 de Enero de 2012]. Disponible en: http://www.fundamentos_de_ard.br/aguil.php?script=sci_art.Ing=pt&nrm=iso&tlng=pt.
[27] BLOGS. Adsorción [en línea] [Fecha de consulta: 19 de marzo de 2012]. Disponible en: http://www.ecured.cu/index.php/Adsorci%C3%B3n
[28] BLOGS. Quimisorción [en línea] [Fecha de consulta: 19 de Marzo de 2012]. Disponible en: http://books.google.com.ec/books?ei=pVBnT4asHZPvggf06sTbAg&hl=es&id=IdJ03b LyxH4C&dq=esquema+entre++adsorbente+y+adsorbato&ots=TzXnSgQFnA&q=esque ma+entre++adsorbente+y+adsorbato#v=snippet&q=esquema%20entre%20%20adsorbe nte%20y%20adsorbato&f=false
[29] BLOGS. Absorción [en línea] [Fecha de consulta: 19 de Marzo de 2012]. Disponible en: http://www.bloogie.es/educacion/quimica/321-diferencia-entre-absorcion-y-adsorcion
[30] BELL and LABUZA, T.P. 2000, Moisture Sorption: Practical aspects of isotherm measurement and use, Second edition, AACC, USA. p.12
[31] Ibid (29). p. 13 [32] Ibid (29). p. 15
[33] BLOGS. Isotermas de adsorción [en línea] [Fecha de consulta: 1 de Marzo de 2012]. Disponible en: http://es.scribd.com/doc/48367457/ISOTERMAS-DE-ADSORCION
[34] GARCÍA. R. Caracterización Textural de Adsorbentes. Universidad de Concepción, Chile. p. 26
[35] BELL and LABUZA, T.P. 2000, Moisture Sorption: Practical aspects of isotherm measurement and use, Second edition, AACC, USA. p. 59
[36] Ibid (34). p. 60 117
[37] Ibid (34). p. 62
[38] POAQUIZA, D. Determinación de isotermas y calor de sorción de humedad de panela granulada producida por las organizaciones paneleras de Ingapi y Pacto. Trabajo de grado (Ingeniero Agroindustrial).Escuela Politécnica Nacional. Facultad de Ingeniería Química y Agroindustrial. Quito, 2008. p. 47
[39] Ibid (36). p. 48 [40] Ibid (38). pp. 17-18 [41] Ibid (35). p. 57
[42] WIKIPEDIA. La Ley de Henry [en línea][Fecha de consulta: 01 de Octubre de 2011]. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Henry
[43] BLOGS. Alcalinidad [en línea] (Fecha de consulta: 29 de Febrero de 2012]. Disponible en: http://www.uprm.edu/biology/profs/massol/manual/p2-alcalinidad.pdf
[44] BLOGS. Dióxido de carbono [en línea] [Fecha de consulta: 9 de Marzo de 2012]. Disponible en: http://www.cryoinfra.com/productos-y-servicios/gases/bioxido-de-carbono-co2
[45] LABUZA T., et al. CURRENT PROTOCOLS IN FOOD ANALYTICAL CHEMISTRY. [en línea][Fecha de consulta: 8 de Junio de 2011]. Disponible en: http: //www.nshtvn.org/ebook/molbio/.../faa0203.pdf
[46] Ibid (43). p. 43
[47] WIKIPEDIA. La Ley de Henry [en línea][Fecha de consulta: 01 de Octubre de 2011]. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Henry
[48] WIKIPEDIA. Cilindro [en línea] [Fecha de consulta: 02 de Octubre de 2011]. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Cilindro
118
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TREYBAL, R. Operaciones de transferencia de masa. Segunda edición. McGraw-Hill. México. 865 p.
POAQUIZA, D. Determinación de isotermas y calor de sorción de humedad de panela granulada producida por las organizaciones paneleras de Ingapi y Pacto. Trabajo de grado (Ingeniero Agroindustrial).Escuela Politécnica Nacional. Facultad de Ingeniería Química y Agroindustrial. Quito, 2008. 167 p.
119
ANEXOS
120
ANEXO A: Hoja de especificaciones del Hidróxido de Sodio, empresa PROCESOS & COLORES
121
proporcionada por la
ANEXO B: Hoja de especificaciones del Hidróxido de Potasio, proporcionada por la empresa QUIMICA SUPERIOR UNICHEM
122
ANEXO C: Certificado de análisis de laboratorio, para las muestras iniciales de Hidróxido de Sodio e Hidróxido de Potasio.
123
ANEXO D: Actividades de agua de soluciones saturadas a diferentes temperaturas.
Actividad de agua T, °C
Hidróxido de sodio (NaOH)
10 15 20 25 30 35 40
0,096±0,028 0,089±0,024 0,082±0,021 0,076±0,017 0,069±0,015 0,062±0,012
Cloruro de litio (LiCl)
Carbonato de potasio (K2CO3)
Yoduro de potasio (KI)
0,113±0,004
0,431±0,004
0,721±0,003
0,113±0,004
0,432±0,003
0,710±0,003
0,113±0,003
0,432±0,003
0,699±0,003
0,113±0,003
0,432±0,004
0,689±0,002
0,113±0,002
0,432±0,005
0,679±0,002
0,113±0,002
0,670±0,002
0,112±0,002
0,661±0,002
Cloruro de sodio (NaCl)
Cloruro de potasio (KCl)
0,757±0,002
0,868±0,004
0,756±0,002
0,859±0,003
0,755±0,001
0,851±0,003
0,753±0,001
0,843±0,003
0,751±0,001
0,836±0,003
0,749±0,001
0,830±0,003
0,747±0,001
0,823±0,003
Cloruro de bario (BaCl2)
0,9019±0,001
Fuente: BELL and LABUZA, T.P. 2000, Moisture Sorption: Practical aspects of isotherm measurement and use, Second edition, AACC, USA, p 45
124
ANEXO E: Procedimiento para la determinación de la actividad de agua de las soluciones saturadas preparadas.
E.1 Soluciones salinas saturadas previamente preparadas y estabilizadas
Figura E1. Estabilización de soluciones salinas
E.2 Toma de muestra: Con una micropipeta tomar una porción de la solución saturada sobrenadante de cada frasco
Figura E2. Toma de muestra de la solución sobrenadante
125
E.3 Medición de la actividad de agua
Colocar las muestras cubriendo un tercio de la capacidad de los porta muestras plásticos del equipo medidor de actividad de agua AQUALAB modelo Pawkit.
Figura E3. Puesta de muestra en el medidor de actividad de agua
Colocar la porta muestra en el medidor, cerrar y pulsar el botón izquierdo. Se realiza la lectura directa del valor de la actividad de agua al registrarse un sonido luego de cinco minutos de espera.
Figura E4. Medición de actividad de agua
126
ANEXO F: Cálculo de las relaciones de área y volumen
Figura F1. Frasco hermético y tubos viales
Para los cálculos posteriores se asume que el vial es un cilindro recto de base circular, así: (48)
Donde:
Relación de áreas Área del material contenido en el vial:
127
Área total de muestra contenida en el recipiente hermético:
Área de solución saturada en el recipiente hermético:
Entonces, la relación de áreas experimental se tiene:
Relación de áreas estandarizada
De igual manera se asume que el vial es un cilindro recto de base circular, así:
Donde:
128
Relación de volúmenes
Volumen de material contenido en el vial:
Volumen de muestra contenida en el recipiente hermético:
Volumen de aire en el recipiente hermético:
Entonces, la relación de volumen experimental se tiene:
Relación de volumen estandarizada
129
ANEXO G: Datos de Humedad Relativa media mensual de los años 2000 al 2010 en estaciones meteorológicas de Quito y Guayaquil.
130
ANEXO H: Datos de Temperatura media mensual de los años 2000 al 2010 en estaciones meteorológicas de Quito y Guayaquil.
131
ANEXO J: Certificados de análisis de laboratorio, para la determinación experimental de la composición en carbonatos generados en las muestras de hidróxido de sodio e hidróxido de potasio.
132
133
ANEXO K: Humedades de Equilibrio determinadas experimentalmente para cada condición
Tabla K1. Humedades de Equilibrio determinadas experimentalmente para el Hidróxido de sodio a 15°C, 25°C, 35°C T,
aw
Número de réplicas
Promedio Desviación
°C
estándar 1
2
3
4
5
0,04
2,2867
3,5173
3,5419
3,5944
3,8572
3,3595
0,6148
0,44
17,7467
14,8827
18,4148
18,8195
11,4068
16,2541
3,1167
0,71
38,3145
36,7503
39,8817
39,1461
31,6248
37,1435
3,2973
0,76
36,1004
34,9382
38,4498
42,5764
52,6883
40,9506
7,1824
0,85
52,0199
54,1460
49,2734
51,7838
51,3468
51,7140
1,7396
0,89
51,1983
49,9242
68,1230
51,0736
58,4055
55,7449
7,6920
0,04
6,1560
5,7584
5,4225
5,6642
2,4687
5,0940
1,4912
0,44
64,0051
54,0241
59,7654
59,2277
34,8711
54,3787
11,4659
0,71
89,5899
89,6195
90,3859
89,5735
91,2598
90,0857
0,7406
0,76
85,0722
82,7934
95,8939
108,5200 110,6681
96,5895
12,8842
0,85 121,5817 114,8134 113,6213 118,1856 125,4800
118,7364
4,8844
0,89 131,2364 133,8546 130,2450 125,3254 127,1172
129,5557
3,3772
15
25
s±
0,04
5,4333
5,9034
5,5585
5,4310
8,7425
6,2138
1,4267
0,44
57,5164
54,7465
59,9801
55,7810
62,1622
58,0373
3,0406
0,71
95,0476
93,2824
95,6120
87,0139
91,6475
92,5207
3,4500
0,76
99,3845
99,9258
98,7909
101,0518 104,5424
100,7391
2,2834
0,85 125,1540 122,7963 119,6650 123,5976 119,8879
122,2202
2,3877
0,89 126,6828 133,3849 136,4207 134,8665 136,9785
133,6667
4,1487
35
134
Tabla K2. Humedades de Equilibrio determinadas experimentalmente para el Hidróxido de potasio a 15°C, 25°C, 35°C T,
Aw
°C
Número de réplicas 1
2
3
Promedio Desviación 4
Estándar
5
s± 0,04
9,8218
8,8077
9,5560
8,5780
8,8157
9,1158
0,5400
0,44
30,3015
29,1619
30,1316
30,6991
36,4051
31,3398
2,8874
0,71
47,0802
46,0479
45,6960
40,3890
40,3890
43,9204
3,2636
0,76
48,0075
48,6656
44,9265
48,6376
46,0654
47,2605
1,6811
0,85
58,1541
57,3072
60,6042
56,5005
60,8766
58,6885
1,9646
0,89
57,3716
66,8906
61,7442
76,1931
64,9847
65,4368
7,0125
0,04
15,9610
15,6000
13,2832
15,5686
13,5891
14,8004
1,2595
0,44
31,2316
32,8551
32,9245
89,9285
41,6130
45,7105
25,0519
0,71
79,5440
81,5193
77,8713
79,1174
79,2997
79,4703
1,3148
0,76
94,8518
94,0414
91,0501
94,9811
82,5752
91,4999
5,2361
0,85
120,4890 120,2113 121,1890 121,0211 121,2743
120,8369
0,4641
0,89
133,8176 133,5353 138,8976 129,9519 134,2862
134,0977
3,1881
0,04
15,5024
17,5726
17,7991
17,4364
15,4987
16,7619
1,1587
0,44
55,9449
59,9787
61,6091
65,1386
66,6452
61,8633
4,2497
0,71
97,7540
90,2905
92,0092
109,1136 106,0137
99,0362
8,3329
0,76
107,1625 110,1700 111,7271 111,2900 106,3023
109,3304
2,4576
0,85
130,1514 131,7970 137,8896 120,5678 135,6485
131,2109
6,6902
0,89
147,3792 149,0331 150,2122 145,4444 145,0075
147,4153
2,2429
15
25
35
135
ANEXO L: Isotermas de sorción de humedad con cada modelo matemático
80 Datos Experimentales
70 Humedad de equilibrio (%)
Modelo de "BET" 60 50 40 30 20 10 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico L1. Isotermas de sorción de humedad del NaOH a 15°C, modelo de BET
70 Datos Experimentales
60 Humedad de equilibrio (%)
Modelo de "GAB" 50 40 30 20 10 0 0,0
0,1
0,2
0,3 0,4 0,5 0,6 Actividad de agua
0,7
0,8
0,9
1,0
Gráfico L2. Isotermas de sorción de humedad del NaOH a 15°C, modelo de GAB
136
60 Datos Experimentales
Humedad de equilibrio (%)
50
Modelo de "PELEG" 40 30 20 10 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico L3. Isotermas de sorción de humedad del NaOH a 15°C, modelo de PELEG
60 Datos Experimentales
Humedad de equilibrio (%)
50
Modelo de "D´ARCY and WATT"
40 30 20 10 0 0,0
0,1
0,2
0,3 0,4 0,5 0,6 Actividad de agua
0,7
0,8
0,9
1,0
Gráfico L4. Isotermas de sorción de humedad del NaOH a 15°C, modelo de GDW
137
160 Datos Experimentales
Humedad de equilibrio (%)
140
Modelo de "BET"
120 100 80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico L5. Isotermas de sorción de humedad del NaOH a 25°C, modelo de BET
140 Datos Experimentales
Humedad de equilibrio (%)
120
Modelo de "GAB" 100 80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico L6. Isotermas de sorción de humedad del NaOH a 25°C, modelo de GAB
138
140 Datos Experimentales
120 Humedad de equilibrio (%)
Modelo de "PELEG" 100 80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3 0,4 0,5 0,6 Actividad de agua
0,7
0,8
0,9
1,0
Gráfico L7. Isotermas de sorción de humedad del NaOH a 25°C, modelo de PELEG
140 Datos Experimentales
Humedad de equilibrio (%)
120 Modelo de "D´ARCY and WATT"
100 80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico L8. Isotermas de sorción de humedad del NaOH a 25°C, modelo de GDW
139
Humedad de equilibrio (%)
160 140
Datos Experimentales
120
Modelo de "BET"
100 80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico L9. Isotermas de sorción de humedad del NaOH a 35°C, modelo de BET
Humedad de equilibrio (%)
160 140
Datos Experimentales
120
Modelo de "GAB"
100 80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico L10. Isotermas de sorción de humedad del NaOH a 35°C, modelo de GAB
140
160 Datos Experimentales
140
Humedad de equilibrio (%)
Modelo de "PELEG" 120 100 80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico L11. Isotermas de sorción de humedad del NaOH a 35°C, modelo de PELEG
160 Datos Experimentales
Humedad de equilibrio (%)
140
Modelo de "D´ARCY and WATT"
120 100 80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico L12. Isotermas de sorción de humedad del NaOH a 35°C, modelo de DGW 141
70 Datos Experimentales
60 Humedad de equilibrio (%)
Modelo de "BET" 50 40 30 20 10 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico L13. Isotermas de sorción de humedad del KOH a 15°C, modelo de BET
70 Datos Experimentales
Humedad de equilibrio (%)
60
Modelo de "GAB" 50 40 30 20 10 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico L14. Isotermas de sorción de humedad del KOH a 15°C, modelo de GAB
142
70 Datos Experimentales
Humedad de equilibrio (%)
60
Modelo de "PELEG" 50 40 30 20 10 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico L15. Isotermas de sorción de humedad del KOH a 15°C, modelo de PELEG
70 Datos Experimentales
60
Modelo de "D´ARCY and WATT"
Humedad de equilibrio (%)
50 40 30 20 10 0 0,0
0,1
0,2
0,3 0,4 0,5 0,6 Actividad de agua
0,7
0,8
0,9
1,0
Gráfico L16. Isotermas de sorción de humedad del KOH a 15°C, modelo de DGW
143
Humedad de equilibrio (%)
180 160
Datos Experimentales
140
Modelo de "BET"
120 100 80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3 0,4 0,5 0,6 Actividad de agua
0,7
0,8
0,9
1,0
Gráfico L17. Isotermas de sorción de humedad del KOH a 25°C, modelo de BET
Humedad de equilibrio (%)
160 140
Datos Experimentales
120
Modelo de "GAB"
100 80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico L18. Isotermas de sorción de humedad del KOH a 25°C, modelo de GAB
144
160 Datos Experimentales
Humedad de equilibrio (%)
140
Modelo de "PELEG"
120 100 80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico L19. Isotermas de sorción de humedad del KOH a 25°C, modelo de PELEG
160 Datos Experimentales
Humedad de equilibrio (%)
140
Modelo de "D´ARCY and WATT"
120 100 80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico L20. Isotermas de sorción de humedad del KOH a 25°C, modelo de DGW
145
Humedad de equilibrio (%)
160 140
Datos Experimentales
120
Modelo de "BET"
100 80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3 0,4 0,5 Actividad de agua
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Gráfico L21. Isotermas de sorción de humedad del KOH a 35°C, modelo de BET
160 Datos Experimentales
Humedad de equilibrio (%)
140
Modelo de "GAB"
120 100 80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3 0,4 0,5 0,6 Actividad de agua
0,7
0,8
0,9
1,0
Gráfico L22. Isotermas de sorción de humedad del KOH a 35°C, modelo de GAB
146
160 Datos Experimentales
Humedad de equilibrio (%)
140
Modelo de "PELEG"
120 100 80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3 0,4 0,5 0,6 Actividad de agua
0,7
0,8
0,9
1,0
Gráfico L23. Isotermas de sorción de humedad del KOH a 35°C, modelo de PELEG
160 Datos Experimentales
Humedad de equilibrio (%)
140
Modelo de "D´ARCY and WATT"
120 100 80 60 40 20 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Actividad de agua
Gráfico L24. Isotermas de sorción de humedad del KOH a 35°C, modelo de DGW 147
ANEXO M: Humedades de equilibrio ajustadas a partir de los modelos matemáticos utilizados
Tabla M1. Humedades de equilibrio calculadas con el modelo de BET para el hidróxido de sodio e hidróxido de potasio a 15°C, 25°C y 35°C
Temperatura
HR
Humedad de equilibrio
(fracción)
(%)
°C Hidróxido de sodio
Hidróxido de potasio
0,04
3,3595
7,4980
0,44
13,0106
12,8537
0,71
26,3875
24,8209
0,76
32,0578
29,9919
0,85
51,7140
47,9870
0,89
70,7397
65,4369
0,04
5,0940
18,8808
0,44
27,6026
32,3670
0,71
58,0738
62,5018
0,76
70,8527
75,5231
0,85
115,0407
120,8369
0,89
157,7590
164,7776
0,04
6,2138
16,7619
0,44
24,5268
28,7346
0,71
49,8303
55,4876
0,76
60,5499
67,0475
0,85
97,7053
107,2760
0,89
133,6667
146,2854
15
25
35
148
Tabla M2. Humedades de equilibrio calculadas con el modelo de GAB para el hidróxido de sodio e hidróxido de potasio a 15°C, 25°C y 35°C
Temperatura
HR
Humedad de equilibrio
(fracción)
(%)
°C Hidróxido de sodio
Hidróxido de potasio
0,04
3,2885
9,1158
0,44
16,2541
28,9631
0,71
30,3360
43,3021
0,76
35,3298
47,2605
0,85
49,5683
56,3309
0,89
60,0778
61,4909
0,04
5,0940
14,7618
0,44
51,9257
45,7105
0,71
90,0857
77,7471
0,76
98,9296
88,5347
0,85
117,1881
117,4306
0,89
126,5358
137,0969
0,04
6,2138
16,7521
0,44
54,9379
61,8633
0,71
91,9954
97,0192
0,76
100,7391
107,1577
0,85
119,0859
131,2109
0,89
128,6471
145,4398
15
25
35
149
Tabla M3. Humedades de equilibrio calculadas con el modelo de PELEG para el hidróxido de sodio e hidróxido de potasio a 15°C, 25°C y 35°C
Temperatura
HR
Humedad de equilibrio
(fracción)
(%)
°C Hidróxido de sodio
Hidróxido de potasio
0,04
3,3595
9,1158
0,44
16,2541
31,3398
0,71
36,7688
43,3913
0,76
41,6149
47,2605
0,85
51,1618
58,1045
0,89
55,7449
65,4368
0,04
5,0940
14,8004
0,44
54,3787
45,6189
0,71
89,5606
79,4703
0,76
97,7991
90,9426
0,85
117,4059
118,4324
0,89
129,5558
134,0977
0,04
6,2138
16,7589
0,44
57,7451
61,8633
0,71
92,5207
98,2503
0,76
100,7391
108,4687
0,85
120,8337
131,2109
0,89
133,6667
143,4542
15
25
35
150
Tabla M4. Humedades de equilibrio calculadas con el modelo de GDW para el hidróxido de sodio e hidróxido de potasio a 15°C, 25°C y 35°C
Humedad de equilibrio Temperatura
HR
°C
(fracción)
(%) Hidróxido de sodio
Hidróxido de potasio
0,04
1,5035
3,8756
0,44
16,2541
31,3398
0,71
31,8133
43,9204
0,76
36,4568
46,2170
0,85
48,1830
50,9931
0,89
55,7449
53,8596
0,04
5,0940
4,1137
0,44
54,3787
45,7106
0,71
86,6510
86,3965
0,76
92,5754
97,0412
0,85
103,2074
120,8370
0,89
107,9209
134,0978
0,04
6,2138
7,9286
0,44
58,0814
66,1064
0,71
92,5207
99,0362
0,76
100,7391
107,1079
0,85
120,5355
129,1398
0,89
133,6667
147,4153
15
25
35
151
ANEXO N: ANÁLISIS DE FORMACIÓN DE HIDRATOS
Tabla N1. Análisis de formación de hidratos del hidróxido de sodio a 15°C T, °C
Actividad de agua (aw) 0,04
0,44
0,71
0,76
0,85
0,89
97,8174
84,9740
72,3381
73,5149
65,8165
66,1741
96,6545
87,0924
73,1656
74,1481
64,9087
66,7365
96,6316
84,4946
71,5277
72,2675
67,0274
59,5125
96,5826
84,2069
71,9058
70,1758
65,9189
66,2287
96,3382
89,8097
76,0146
65,5283
66,1092
63,1633
96,8049
86,1155
72,9904
71,1269
65,9561
64,3630
0,0521
0,0536
0,0521
0,0543
0,0513
0,0536
0,0516
0,0538
0,0517
0,0548
0,0507
0,0543
0,0527
0,0510
0,0524
0,0535
0,0505
0,0494
0,0524
0,0504
0,0523
0,0536
0,0526
0,0571
0,0501
0,0529
0,0506
0,0505
0,0521
0,0510
0,0518
0,0523
0,0518
0,0533
0,0515
0,0531
2,1826
15,0260
27,6619
26,4851
34,1835
33,8259
3,3455
12,9076
26,8344
25,8519
35,0913
33,2635
3,3684
15,5054
28,4723
27,7325
32,9726
40,4875
3,4174
15,7931
28,0942
29,8242
34,0811
33,7713
3,6618
10,1903
23,9854
34,4717
33,8908
36,8367
3,1951
13,8845
27,0096
28,8731
34,0439
35,6370
0,0026
0,0211
0,0443
0,0434
0,0593
0,0609
Moles de
0,0040
0,0177
0,0421
0,0425
0,0609
0,0601
H2O
0,0041
0,0208
0,0464
0,0457
0,0552
0,0746
sorbida
0,0041
0,0210
0,0454
0,0506
0,0605
0,0647
0,0042
0,0133
0,0355
0,0590
0,0594
0,0661
0,0038
0,0188
0,0427
0,0482
0,0591
0,0653
%NaOH
Promedio
Moles NaOH
15
Promedio
%H2O sorbida
Promedio
Promedio
152
Tabla N2. Análisis de formación de hidratos del hidróxido de sodio a 25°C T, °C
Actividad de agua (aw) 0,04
0,44
0,71
0,76
0,85
0,89
94,2519
61,0067
52,7740
54,0622
45,1545
43,2692
94,6064
64,9601
52,7657
54,7362
46,5772
42,7848
94,9077
62,6257
52,5533
51,0757
46,8372
43,4555
94,6906
62,8371
52,7785
47,9830
45,8574
44,4043
97,6436
74,1850
52,3132
47,4937
44,3738
44,0540
95,2201
65,1229
52,6370
51,0702
45,7600
43,5935
0,0522
0,0488
0,0511
0,0563
0,0532
0,0576
0,0538
0,0559
0,0520
0,0574
0,0539
0,0562
0,0545
0,0505
0,0500
0,0519
0,0544
0,0569
0,0523
0,0522
0,0525
0,0573
0,0561
0,0574
0,0527
0,0547
0,0523
0,0482
0,0536
0,0578
0,0531
0,0524
0,0516
0,0542
0,0542
0,0572
5,7481
38,9933
47,2260
45,9378
54,8455
56,7308
5,3936
35,0399
47,2343
45,2638
53,4228
57,2152
5,0923
37,3743
47,4467
48,9243
53,1628
56,5445
5,3094
37,1629
47,2215
52,0170
54,1426
55,5957
2,3564
25,8150
47,6868
52,5063
55,6262
55,9460
4,7799
34,8771
47,3630
48,9298
54,2400
56,4065
0,0071
0,0693
0,1015
0,1064
0,1437
0,1677
Moles de
0,0068
0,0670
0,1035
0,1055
0,1374
0,1669
H2O
0,0065
0,0669
0,1003
0,1104
0,1373
0,1645
sorbida
0,0065
0,0687
0,1044
0,1380
0,1471
0,1598
0,0028
0,0423
0,1059
0,1185
0,1493
0,1631
0,0059
0,0628
0,1031
0,1157
0,1430
0,1644
%NaOH
Promedio
Moles NaOH
25
Promedio
%H2O sorbida
Promedio
Promedio
153
Tabla N3. Análisis de formación de hidratos del hidróxido de sodio a 35°C T, °C
Actividad de agua (aw) 0,04
0,44
0,71
0,76
0,85
0,89
94,8980
63,5198
51,2973
50,1815
44,4381
44,1384
94,4768
64,6568
51,7658
50,0456
44,9083
42,8709
94,7855
62,5416
51,1493
50,3314
45,5485
42,3204
94,9001
64,2274
53,5009
49,7654
44,7474
42,6004
92,0101
61,7000
52,2074
48,9161
45,5023
42,2208
94,2141
63,3291
51,9841
49,8480
45,0289
42,8302
0,0362
0,0380
0,0368
0,0384
0,0360
0,0385
0,0367
0,0391
0,0373
0,0381
0,0368
0,0382
0,0369
0,0375
0,0372
0,0390
0,0379
0,0379
0,0363
0,0374
0,0380
0,0378
0,0362
0,0377
0,0368
0,0382
0,0386
0,0362
0,0369
0,0377
0,0366
0,0380
0,0376
0,0379
0,0367
0,0380
5,1020
36,4802
48,7027
49,8185
55,5619
55,8616
5,5232
35,3432
48,2342
49,9544
55,0917
57,1291
5,2145
37,4584
48,8507
49,6686
54,4515
57,6796
5,0999
35,7726
46,4991
50,2346
55,2526
57,3996
7,9899
38,3000
47,7926
51,0839
54,4977
57,7792
5,7859
36,6709
48,0159
50,1520
54,9711
57,1698
0,0061
0,0680
0,1089
0,1189
0,1403
0,1518
Moles de
0,0067
0,0666
0,1083
0,1186
0,1408
0,1587
H2O
0,0063
0,0700
0,1108
0,1199
0,1411
0,1612
sorbida
0,0061
0,0650
0,1031
0,1189
0,1391
0,1583
0,0100
0,0738
0,1101
0,1178
0,1376
0,1606
0,0070
0,0687
0,1082
0,1188
0,1398
0,1581
%NaOH
Promedio
Moles NaOH
35
Promedio
%H2O sorbida
Promedio
Promedio
154
Tabla N4. Análisis de formación de hidratos del hidróxido de potasio a 15°C T, °C
Actividad de agua (aw) 0,04
0,44
0,71
0,76
0,85
0,89
98,5012
83,0196
73,5488
73,0881
68,3990
68,7391
99,4193
83,7521
74,0687
72,7645
68,7672
64,8184
98,7402
83,1280
74,2476
74,6419
67,3555
66,8808
99,6296
82,7671
77,0543
72,7782
69,1217
61,3962
99,4119
79,3048
77,0543
74,0598
67,2415
65,5672
99,1404
82,3943
75,1948
73,4665
68,1770
65,4803
0,0395
0,0369
0,0377
0,0404
0,0387
0,0399
0,0403
0,0369
0,0403
0,0389
0,0378
0,0359
0,0394
0,0379
0,0384
0,0423
0,0362
0,0358
0,0407
0,0362
0,0384
0,0386
0,0377
0,0366
0,0404
0,0360
0,0384
0,0388
0,0379
0,0375
0,0401
0,0368
0,0386
0,0398
0,0377
0,0372
1,4988
16,9804
26,4512
26,9119
31,6010
31,2609
0,5807
16,2479
25,9313
27,2355
31,2328
35,1816
1,2598
16,8720
25,7524
25,3581
32,6445
33,1192
0,3704
17,2329
22,9457
27,2218
30,8783
38,6038
0,5881
20,6952
22,9457
25,9402
32,7585
34,4328
0,8596
17,6057
24,8052
26,5335
31,8230
34,5197
0,0019
0,0235
0,0423
0,0464
0,0557
0,0566
Moles de
0,0007
0,0223
0,0440
0,0454
0,0536
0,0608
H2O
0,0016
0,0240
0,0415
0,0447
0,0548
0,0553
sorbida
0,0005
0,0235
0,0356
0,0451
0,0525
0,0716
0,0007
0,0293
0,0356
0,0424
0,0575
0,0614
0,0011
0,0245
0,0398
0,0448
0,0548
0,0612
%KOH
Promedio
Moles KOH
15
Promedio
%H2O sorbida
Promedio
Promedio
155
Tabla N5. Análisis de formación de hidratos del hidróxido de potasio a 25°C T, °C
Actividad de agua (aw) 0,04
0,44
0,71
0,76
0,85
0,89
93,2864
82,4312
60,2503
55,5170
49,0618
46,2650
93,5776
81,4239
59,5946
55,7488
49,1236
46,3210
95,4915
81,3814
60,8169
56,6217
48,9065
45,2812
93,6031
56,9561
60,3938
55,4802
48,9437
47,0428
95,2343
76,3883
60,3324
59,2500
48,8877
46,1725
94,2386
75,7162
60,2776
56,5235
48,9846
46,2165
0,0401
0,0410
0,0359
0,0387
0,0396
0,0395
0,0412
0,0409
0,0358
0,0378
0,0386
0,0390
0,0373
0,0408
0,0359
0,0384
0,0387
0,0404
0,0372
0,0398
0,0360
0,0376
0,0387
0,0391
0,0402
0,0394
0,0359
0,0410
0,0392
0,0390
0,0392
0,0404
0,0359
0,0387
0,0390
0,0394
6,7136
17,5688
39,7497
44,4830
50,9382
53,7350
6,4224
18,5761
40,4054
44,2512
50,8764
53,6790
4,5085
18,6186
39,1831
43,3783
51,0935
54,7188
6,3969
43,0439
39,6062
44,5198
51,0563
52,9572
4,7657
23,6117
39,6676
40,7500
51,1123
53,8275
5,7614
24,2838
39,7224
43,4765
51,0154
53,7835
0,0090
0,0272
0,0738
0,0967
0,1280
0,1429
Moles de
0,0088
0,0291
0,0758
0,0936
0,1245
0,1408
H2O
0,0055
0,0291
0,0721
0,0916
0,1260
0,1521
sorbida
0,0079
0,0936
0,0735
0,0940
0,1258
0,1371
0,0063
0,0380
0,0736
0,0878
0,1279
0,1418
0,0075
0,0434
0,0737
0,0928
0,1265
0,1430
%KOH
Promedio
Moles KOH
25
Promedio
%H2O sorbida
Promedio
Promedio
156
Tabla N6. Análisis de formación de hidratos del hidróxido de potasio a 35°C T, °C
Actividad de agua (aw) 0,04
0,44
0,71
0,76
0,85
0,89
93,6568
69,3680
54,7022
52,2178
47,0020
43,7287
92,0076
67,6189
56,8477
51,4706
46,6683
43,4383
91,8307
66,9367
56,3389
51,0921
45,4731
43,2336
92,1144
65,5061
51,7306
51,1978
49,0442
44,0734
93,6598
64,9138
52,5090
52,4356
45,9056
44,1520
92,6538
66,8687
54,4257
51,6828
46,8187
43,7252
0,0359
0,0372
0,0365
0,0391
0,0363
0,0357
0,0362
0,0373
0,0356
0,0366
0,0365
0,0357
0,0367
0,0367
0,0371
0,0372
0,0357
0,0357
0,0361
0,0371
0,0357
0,0373
0,0357
0,0359
0,0366
0,0364
0,0363
0,0394
0,0357
0,0363
0,0363
0,0369
0,0362
0,0379
0,0360
0,0359
6,3432
30,6320
45,2978
47,7822
52,9980
56,2713
7,9924
32,3811
43,1523
48,5294
53,3317
56,5617
8,1693
33,0633
43,6611
48,9079
54,5269
56,7664
7,8856
34,4939
48,2694
48,8022
50,9558
55,9266
6,3402
35,0862
47,4910
47,5644
54,0944
55,8480
7,3462
33,1313
45,5743
48,3172
53,1813
56,2748
0,0076
0,0512
0,0941
0,1117
0,1277
0,1434
Moles de
0,0098
0,0556
0,0844
0,1075
0,1299
0,1451
H2O
0,0102
0,0565
0,0896
0,1111
0,1335
0,1461
sorbida
0,0096
0,0609
0,1039
0,1108
0,1157
0,1420
0,0077
0,0613
0,1022
0,1115
0,1312
0,1430
0,0090
0,0571
0,0948
0,1105
0,1276
0,1439
%KOH
Promedio
Moles KOH
35
Promedio
%H2O sorbida
Promedio
Promedio
157
ANEXO P: Hoja de seguridad del Hidróxido de Sodio
158
159
ANEXO Q: Hoja de seguridad del Hidróxido de Potasio
160
161